汽車尾氣余熱發(fā)電技術(shù)在汽車上的應(yīng)用研究

李星 王政軍 陳萌

摘 要：隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，能源短缺的問題日益突出。如何節(jié)約石油、天然氣等不可再生資源已經(jīng)成為各國群眾關(guān)注的焦點(diǎn)。本文從利用汽車余熱節(jié)能的目的出發(fā)，詳細(xì)地闡述了半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)的原理。設(shè)計(jì)研究了兩種應(yīng)用在汽車上的發(fā)電器的結(jié)構(gòu)，說明并對比了各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)；并論證了溫差發(fā)電器在汽車進(jìn)氣系統(tǒng)中應(yīng)用的可能性，從而達(dá)到進(jìn)氣加熱的目的，使空氣和燃油更充分的混合，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，減少了燃油的消耗量。最終認(rèn)為汽車尾氣余熱發(fā)電技術(shù)在未來能夠從一定程度上解決能源緊張的世界難題。

關(guān)鍵詞：汽車尾汽余熱發(fā)電 溫差發(fā)電 節(jié)能

中圖分類號：P461.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1.引言

目前汽車已經(jīng)成為很多家庭出行的必備工具。2014年末全國的汽車保有量已經(jīng)到了15447萬輛，比上年末高出了12.4%。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和能源的日益緊張，如何利用新技術(shù)使汽車節(jié)能早已成為公眾注意的焦點(diǎn)。如今，汽車的動(dòng)力利用率大約只有40%，有60%左右的燃油能量沒有得到充分利用，其中因發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流失的a熱量大約是燃料總熱量的30%-45%，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)是新型的發(fā)電方式，具有許多優(yōu)點(diǎn)如：結(jié)構(gòu)緊湊、免維護(hù)、無噪音、無污染等。汽車的余熱如果能進(jìn)行溫差發(fā)電的話，將會(huì)節(jié)約許多能源，進(jìn)而從一定程度上解決如今的能源問題。

2.溫差發(fā)電原理

所謂溫差發(fā)電就是指當(dāng)半導(dǎo)體兩端的溫度不同時(shí)，熱電材料的兩端將會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)勢。溫差發(fā)電實(shí)際上就是熱能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換，這一現(xiàn)象的原理基于塞貝克效應(yīng)、帕爾帖效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)。

（1）塞貝克效應(yīng)

塞貝克效應(yīng)又稱溫差發(fā)電第一效應(yīng)，是指當(dāng)兩種金屬在兩處連接并且構(gòu)成閉合回路時(shí)，如果兩個(gè)結(jié)點(diǎn)保持不同的溫度，那么就會(huì)有連續(xù)的電流流過回路。

（2）帕爾貼效應(yīng)

帕爾貼效應(yīng)又稱溫差發(fā)電第二效應(yīng)，具體是指如果有電流經(jīng)過不同的導(dǎo)體并且構(gòu)成回路時(shí)，在回路中不僅會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，而且在不同導(dǎo)體的接頭處會(huì)分別產(chǎn)生吸熱、放熱現(xiàn)象，其吸熱還是放熱取決于電流的方向。如果電流的方向是從自由電子數(shù)較低的B端流向自由電子數(shù)高的A端，那么A端的溫度將會(huì)升高；反之，A端的溫度就會(huì)降低。

（3）湯姆遜效應(yīng)

1856年，湯姆遜利用熱力學(xué)原理綜合的分析并討論了塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了第三熱電效應(yīng)，即為湯姆遜效應(yīng)。即如果一根導(dǎo)線的兩端溫度不相同，當(dāng)加上電流時(shí)，這段導(dǎo)線中將產(chǎn)生放熱或吸熱的現(xiàn)象。導(dǎo)線中的熱流方向與電流方向不相同時(shí)產(chǎn)生吸熱效應(yīng)，反之產(chǎn)生放熱效應(yīng)。

3.溫差發(fā)電技術(shù)在汽車上的應(yīng)用

3.1 溫差發(fā)電器的在排氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

（1）平板型溫差發(fā)電器

目前，美國的通用汽車公司研發(fā)中心研發(fā)了一種平板式溫差發(fā)電器具有雙層結(jié)構(gòu)并且成功安裝在了輕型卡車上。

溫差發(fā)電器的核心部件發(fā)電片在空間上是長方體，但由于汽車尾氣管成圓管狀，導(dǎo)致發(fā)電片直接安裝在尾氣管上具有一定的困難。因?yàn)槟壳皣鴥?nèi)外還沒有成形的技術(shù)來改變發(fā)電片的外形，只有把發(fā)電器的廢氣通道設(shè)計(jì)為方狀的平板形狀。在通常情況下，將溫差發(fā)電器裝在三元催化轉(zhuǎn)化器的前方，排氣消音器的后方。平板式溫差發(fā)電器可以直接將冷端和空氣進(jìn)行對流換熱來降低冷端的溫度，也可以通過水冷散熱器通過發(fā)動(dòng)機(jī)水循環(huán)接入冷卻水套來降低冷端的溫度。

（2）圓桶式溫差發(fā)電器

圓桶式溫差發(fā)電器在汽車上的安裝位置與平板式相同，但其利用了尾氣管的外部結(jié)構(gòu)，將溫差發(fā)電器的整體外觀設(shè)計(jì)為正多邊體，使其在形狀上逼近尾氣管的圓形結(jié)構(gòu)，將發(fā)電片平鋪在正多邊體的每個(gè)面上。通過發(fā)電器殼體內(nèi)壁與高溫尾氣流的對流換熱，將熱量傳遞給發(fā)電器內(nèi)壁，再通過熱傳導(dǎo)傳遞給發(fā)電片的熱端，從而形成熱端溫度。冷源采用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，通過冷卻水與散熱塊的對流換熱，較快的帶走冷端的熱量，從而使冷端溫度保持穩(wěn)定。

3.2 溫差發(fā)電器與進(jìn)氣預(yù)熱裝置相結(jié)合的綜合應(yīng)用

在寒冷的地區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的溫度較低，需要極濃的可燃混合氣啟動(dòng)，通常需要將發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)熱，特別是柴油機(jī)，從而使空氣與燃料的混合更加充分，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。目前常用的進(jìn)氣預(yù)熱裝置有電熱式、火焰式和熱敏陶瓷式即PTC預(yù)熱器。其中傳統(tǒng)的電熱式預(yù)熱器的發(fā)熱體由電阻絲與鐵鎳鋁合金構(gòu)成，電阻絲絕緣后通過具有螺紋的外殼使其與發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管相配合。電阻絲的一端通過開關(guān)后與作為電源的蓄電池連接，另一端與外殼搭鐵。但是在溫度較低的情況下，蓄電池的電容量本就不足，所以其僅排量小的發(fā)動(dòng)機(jī)適用并且其發(fā)動(dòng)機(jī)最低啟動(dòng)溫度只能到-25℃。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究，本文認(rèn)為可以用溫差發(fā)電器作為電熱式預(yù)熱器的電源從而降低其最低啟動(dòng)溫度，并且使其應(yīng)用更加廣泛。

4.結(jié)束語

汽車尾氣溫差發(fā)電器可以直接把熱能轉(zhuǎn)化為電能并且能夠在一定程度上解決如今能源短缺的問題。它已經(jīng)成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，是熱電研究領(lǐng)域中一個(gè)十分前沿的新興課題。未來的主要發(fā)展方向包括解決冷端的散熱問題，使冷端的溫度保持穩(wěn)定、提高發(fā)電效率、提高溫差發(fā)電器在發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況下的可靠性和完善各種發(fā)電器效率檢測儀器提高檢測的精度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉洪陽，劉萬釗，賀強(qiáng)，等.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管余熱發(fā)電研究.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，30（3）：70-72.

[2] Ikoma K，Munekiyo M，F(xiàn)uruya K.Thermoelectric module and generator for gasoline engine vehicles.Proceedings of ICT， 1998，464-467 .

[3]顧翔華.我國汽車產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].決策參考2009，25（23）：4-6.

[4]蔣新強(qiáng).汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)研究[D].廣州：華南理工學(xué)大學(xué)，2010，6.