汽車尾氣溫差發(fā)電裝置及熱電模塊的布置研究

鄧亞東，范 韜，郭 珣，凌 凱，代宏偉，蘇楚奇

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北武漢 430070)

研究表明，目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率不到30%［1］，大部分能量損失于發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水和車輛排放的高溫尾氣中。若將發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣廢熱進(jìn)行再利用，可以進(jìn)一步提高汽車的能源利用率，從而提升整車綜合性能［2-3］。

汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電裝置主要包括熱電模塊、廢氣通道箱體和冷卻水箱體等。其原理是將半導(dǎo)體材料制成的熱電模塊布置在連接發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的廢氣通道箱體和冷卻水箱體之間，在模塊的兩端產(chǎn)生熱源和冷源，通過兩端的溫度差產(chǎn)生電能［4-6］。溫差發(fā)電的效率與熱電模塊的性能、兩端的溫差及其在廢氣通道箱體上的布置形式有關(guān)。

1 熱電模塊性能研究

1.1 半導(dǎo)體材料的選擇

汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電效率與熱電模塊的性能有直接關(guān)系，尋找高優(yōu)值的熱電材料，一直是熱電研究的重要內(nèi)容。在熱電材料的研究方面，稀土硫化物、硒化物、富硼固體和方鈷礦型化合物等，都較適于做熱電模塊的材料。目前用于溫差發(fā)電的熱電材料大多是半導(dǎo)體，在不同的溫度范圍內(nèi)熱電轉(zhuǎn)換效率較高的材料主要有以下幾種，如表 1［7］所示。

1.2 熱電模塊的性能

熱電模塊的性能主要包括熱電轉(zhuǎn)換效率及其能承受的溫度范圍［8］。不同廠家生產(chǎn)的熱電模塊轉(zhuǎn)換性能與耐高溫能力不盡相同，熱電模塊的生產(chǎn)廠家主要有 Hi-Z、Furukawa、Komatsu 等［9］。例如Komatsu公司的Bi2Te3熱電模塊，在高溫端280℃、低溫端30℃時(shí)，具有7.2%的熱電轉(zhuǎn)換效率，該溫差下單體模塊最大功率可達(dá)24 W，能量密度為1 W/cm2。

表1 在不同溫度范圍可選擇的熱電材料

目前國內(nèi)也正在積極研究各種熱電材料，如圖1所示是某型號尺寸為29 mm×29 mm×4 mm的Bi2Te3低溫?zé)犭娔K兩端電壓隨溫差變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨著兩端溫差的增大，模塊的發(fā)電能力增強(qiáng)，在溫差160℃(高溫端 220℃，低溫端60℃)時(shí)，開路電壓達(dá)到1.56 V。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管溫度場分布

2.1 紅外溫度計(jì)排氣管溫度場分布測試試驗(yàn)

為了解發(fā)動(dòng)機(jī)排氣沿管道走向的溫度分布，并結(jié)合熱電模塊高溫端的額定溫度，找出理想?yún)^(qū)域布置廢熱溫差發(fā)電裝置，筆者進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管溫度場分布試驗(yàn)。

圖1 某型號熱電模塊溫差-電壓曲線

實(shí)驗(yàn)采用某型發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.6 L乘用車，利用精密紅外溫度計(jì)，測出發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下，排氣管外壁沿縱向等間距15 cm各個(gè)測量點(diǎn)的溫度，起點(diǎn)為排氣支管，終點(diǎn)為排氣管末端。

調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱負(fù)荷，在發(fā)動(dòng)機(jī)1000 r/min、2000 r/min和3000 r/min工況下測定各點(diǎn)溫度并記錄，獲得的各轉(zhuǎn)速下各測量點(diǎn)溫度如圖2所示。

圖2 排氣管溫度分布

2.2 紅外熱像儀排氣管溫度場分布測試試驗(yàn)

由上述實(shí)驗(yàn)知，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高排氣管外壁溫度越高。由于在城市路況行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般不超過3000 r/min，因此，在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中，只分析發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3000 r/min排氣管的溫度分布，即可與熱電模塊高溫端的額定溫度相比較。

圖3所示為發(fā)動(dòng)機(jī)在3000 r/min時(shí)，采用紅外熱像儀采集得到的紅外圖像及相對應(yīng)的溫度分布曲線圖。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3 排氣管紅外圖像及溫度分布曲線

綜合圖2和圖3分析，由于熱量散失及廢氣流動(dòng)的延程損失，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下，排氣管外壁溫度總體上是從排氣支管到排氣管出口下降。在第一消聲器和第二消聲器有兩個(gè)明顯的溫度急劇下降的區(qū)間，主要為消聲器內(nèi)徑較排氣管內(nèi)徑尺寸突然變大所致。廢氣通過消聲器后，流進(jìn)相對較細(xì)的排氣管，外壁溫度又驟然回升，但總體相對流進(jìn)消聲器前溫度有所下降。同時(shí)，在排氣管彎曲的位置因廢氣碰撞，此區(qū)域外壁溫度相對會(huì)有一定的升高。

3 廢熱溫差發(fā)電裝置箱體安裝位置選擇

廢熱溫差發(fā)電裝置箱體主要用于布置熱電模塊，其結(jié)構(gòu)取決于熱源和冷源的種類、熱電模塊的性能及系統(tǒng)的散熱方式，通常有平板式、圓桶式等［10］。平板式溫差發(fā)電裝置可將熱電模塊平鋪在矩形廢氣通道箱體的上下表面，在布置模塊的數(shù)量上占有優(yōu)勢，同時(shí)便于冷卻水箱體的布置，故采用如圖4所示廢氣通道箱體較優(yōu)。

圖4 溫差發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

平板式溫差發(fā)電裝置的熱源是廢氣通道箱體外壁，冷源為冷卻水箱體。根據(jù)熱電材料的性能及發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的溫度場分布，選用不同類型熱電模塊時(shí)需在排氣管不同位置安裝廢氣通道箱體。

在選用高溫材料模塊時(shí)將廢氣通道箱體布置于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣支管附近，在選用中溫材料模塊時(shí)將廢氣通道箱體布置于排氣支管和第一消聲器之間，在選用低溫材料模塊時(shí)將廢氣通道箱體布置于第一消聲器處。

4 熱電模塊在廢氣通道箱體上的布置方式

4.1 廢氣通道箱體溫度場分布試驗(yàn)

目前，汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電仍處于試驗(yàn)研究階段，實(shí)際裝車前，需要先利用廢熱溫差發(fā)電臺(tái)架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的溫度分布，將不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的廢氣通道箱體安裝至廢熱溫差發(fā)電臺(tái)架，比較各種結(jié)構(gòu)的紅外線熱像圖可知，圖5(a)中所示為無內(nèi)部結(jié)構(gòu)的廢氣通道箱體外表面熱像圖，其溫度場分布不均，僅在進(jìn)氣口附近區(qū)域獲得較高溫度;由圖5(b)中所示的廢氣通道箱體熱像圖知，其溫度分布均勻，高溫區(qū)域比例最大，熱能轉(zhuǎn)換效率最高，故應(yīng)選用該結(jié)構(gòu)。

圖5 不同結(jié)構(gòu)的廢氣通道箱體溫度場分布

4.2 熱電模塊的布置形式

確定廢氣通道箱體結(jié)構(gòu)后，通過比較分析，同一組熱電模塊在相近的溫度區(qū)域串聯(lián)發(fā)電效率較高。將熱電模塊串聯(lián)可以顯著增大電壓，但單體模塊具有一定的額定電流，這將限制由串聯(lián)所形成的電流增大額度。串聯(lián)數(shù)目到達(dá)一定值后，功率的提高轉(zhuǎn)而被電流制約。因此需要適當(dāng)并聯(lián)，以使得大功率所需的大電流能夠被多個(gè)模塊分擔(dān)。經(jīng)試驗(yàn)研究并結(jié)合圖5(b)熱像圖所反映出來的廢氣通道箱體外壁溫度特性，采取圖6所示的布置方式，即模塊A、B、C、D串聯(lián)，然后列與列之間并聯(lián)的組合連接方式，使系統(tǒng)獲取較大功率。

圖6 熱電模塊布置示意圖

5 結(jié)論

根據(jù)汽車排氣管溫度分布確定了尾氣廢熱溫差發(fā)電裝置的安裝位置，根據(jù)廢氣通道箱體溫度場的分布，決定熱電模塊的連接方法。但是由于廢氣通道箱體表面積較大，高溫端的溫度控制和廢氣通道箱體溫度分布的均勻性還需進(jìn)一步研究。

［1］GRANDEUR D，CRANE S，HUNG B，et al.Automobive waste heat conversion to electric power using skutterudite，TAGS，PbTe and BiTe［J］.Thermoelectrics，2006(25):343-348.

［2］ALEJKSANDR S K，JOHN C，BASS S，et al.Thermoelectric development at Hi-z technology［R］.［S.l.］:Hi-z Technology Inc，2001.

［3］LON E B.Cooling，heating，generating power and recovering waste heat with thermoelectric systems［J］.Science，2008(10):413-418.

［4］NUWAYHID R Y，ROWE D M，MIN G.Low cost stove top thermoeleetric generator for regions with unreliable eletricity supply［J］.Renewalbe Energy，2003(28):205-220.

［5］ROWE D M.Thermoelectrics:an environmentally-friendly source of electrical power［J］.Renewable Energy，1999(16):1251-1256.

［6］CRANE T，GRANDEUR J M，HARRIS L E B.Preformance results of a high power density thermoelectric generator:beyond the couple［J］.BSST LLC，2005(24):170-174.

［7］張征，曾美琴，司廣樹.溫差發(fā)電技術(shù)及其在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱利用中的應(yīng)用［J］.能源技術(shù)，2004(3):120-123.

［8］YANG J.Potential applications of thermoelectric waste heat recovery in the automotive industry［J］.Thermoelectrics，2005(24):170-174.

［9］張騰，張征.溫差發(fā)電技術(shù)及其一些應(yīng)用［J］.能源技術(shù)，2009(1):35-39.

［10］SAQR K M，MANSOUR M K，MUSA M N.Thermal design of automobile exhuast based thermoelectric generators:objectives and challenges［J］.International Journal of Automotive Technology，2008(1):30-34.