60%的能耗损失怎么补救？解析热电设备在工业中回收热量的tips和窍门

2022-02-21 09:20:19  信息编号：K212275  浏览次数：131

许多工业过程是能源密集型的，许多现代工业在其整个运营过程中消耗大量能源。有几个制造业会损失大量能源，这使得其中许多工业过程的能源效率非常低。在当今运行的许多制造和加工厂中，系统中超过 60% 的总能量以废热能的形式耗散。

虽然这种能量损失是一种巨大的浪费，但高温废热可以在不同的工业过程中收集和再利用，从而节省资金并创造更循环的过程。然而，虽然排放的较高热量很容易收集（因为它往往是一种更高质量的能量形式），但收集较低温度的废热却更具挑战性。这种较低温度的热量通常被视为较低质量的能源（因为它具有较低的能量密度），并且在 300°C 或更低的温度下散发。

挑战之一是低品位余热约占所有排放余热的一半（50%）。因此，制造商和加工厂只能有效地收集其工艺释放的潜在热能的一半，而收集全谱热能的能力有助于进一步降低能源使用和成本。正在出现不同的解决方案来收集这种低温热能，近年来提出的更清洁、更安静的解决方案之一是热电设备。

使用热电设备收集热量

热电装置是一种清洁能源转换技术，可以将废热能转化为电能，并可以通过回收所用的能源来减少化石燃料的消耗。这些设备利用塞贝克效应（热电效应的一种特殊形式）直接将热量转化为电能。

这些设备通常使用热电偶来发电，因为当热量从设备的一侧传递到另一侧时，设备两端会产生电压，从而产生温差。这种温差会在原子水平上产生施加的温度梯度，迫使器件内的电荷载流子将热侧移动到冷侧，从而在此过程中产生电流。

热电设备的转换效率取决于许多不同的因素，包括设备的热导率和电导率以及所利用热量的绝对温度。由于温度是转换效率的驱动因素（由效率方程推导出），与中温和高温相比，在低温下实现高效率更难。

碲基热电器件：迄今为止最受欢迎的器件

就目前而言，碲基热电设备是迄今为止唯一能够利用低温热量的设备，而高性能设备仅限于 Bi2Te3 合金。在今天的市场上，只有 n 型和 p 型 Bi2Te3 合金被商业化用于低温热回收。尽管如此，仍在寻求更多选择，因为这些合金只能在特定情况下使用。

虽然 Bi2Te3 合金在高温下具有热力学稳定性，但使用它们的热电器件仅限于 177°C (450 K) 或更低的工作温度。这是因为在这些半导体材料中形成了有害的双极效应，因为带隙在 177°C 以上的温度下非常窄。低效率方面，这种双极效应阻碍了设备的效率，仅在 177°C 以上（和 9% 以下）的低温热回收中提供约 7% 的效率。

除了低品位余热的高端性能低下之外，世界上碲的稀缺性也是这些低温能量收集器商业化的担忧。目前，Bi2Te3 热电器件的最大输出功率与原材料成本比约为 17 W/$。器件制造本身也不便宜，因为这些合金的热电性能仅限于沿某些晶体学方向，因此合金需要在器件中正确形成才能有效。因此，人们正在寻找更便宜且在更广泛的低温采集范围（低于 300°C，而不是低于 177°C）范围内提供高效率的新设备。

创建用于收集工业热量的无碲热电设备

制造任何类型的热电器件通常需要具有相似性能水平的 p 型和 n 型半导体材料。由镁和锑组成的热电材料最近已被证明是替代 Bi2Te3 作为温度高达 427°C (700K) 的 n 型材料的低成本选择。但是需要两种类型的半导体材料，并且已经出现由镉和锑组成的热电材料在高达 327°C (600K) 的收获温度下可以与作为 p 型材料的 Bi2Te3 相媲美。一个研究小组利用这两种非碲材料制造了一种装置，可以收集工业过程中排放的较低等级的低温热能。

n 型镁和 p 型镉材料与化学惰性的 Ni/Fe/Mg3SbBi 和 Ni/Sb/CdSb 金属触点一起制成器件，以防止化学扩散穿过器件并提供低界面电阻率并提高整体效率的设备。该器件在 277°C (550 K) 的温度下实现了 8% 的热电效率。虽然这本身仍然相对较低，但它是碲热电器件之外的最高效率，仅比 n 型/p 型碲热电器件在极低温度下的 9% 效率低 1%。它在低等级热量范围的较高区域处于领先地位。

尽管效率相似，但该设备与全碲设备之间的真正区别在于原材料成本与输出功率的比值，因为原材料成本要低得多。全碲设备提供 17 W/$ 的比率；这些新的非碲器件提供了 272 W/$ 的比率，是商业应用器件的 16 倍。除了这一改进之外，这些非碲热电器件可以收集高达 327°C 的热量，并在 270°C 范围内具有稳定的工作效率，因此它们在更宽的温度范围内表现更好。

因此，即使这些热电设备在效率方面仍有改进的空间，但这些无碲设备的生产成本要低得多，如果碲基可以被视为商业上可行的选择，那么就有潜力为无碲设备提供替代目前在低温余热回收市场上垄断的 Bi2Te3。