電子式汽車尾氣熱能發(fā)電裝置

孟祥彬等

摘 要 隨著人們生活水平的提高，汽車數(shù)量和對汽車功能設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)越來越多，導(dǎo)致汽車的耗電量增大，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率低下等缺點(diǎn)在這個(gè)能源緊缺的時(shí)代日益突顯，在汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)開發(fā)新的能源和增加能源利用率問題受到廣泛關(guān)注，而在汽車尾氣中帶有的大量熱能，如果不能被有效利用，不僅浪費(fèi)能源，而且對環(huán)境會(huì)造成一定的污染。所以結(jié)合汽車構(gòu)造設(shè)計(jì)出可以將汽車尾氣中不能被利用的熱能轉(zhuǎn)化成電能，供人們使用的裝置，在現(xiàn)階段具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文將此設(shè)計(jì)思想與個(gè)人經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，進(jìn)行電子式汽車尾氣熱能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)，并從電子式汽車尾氣熱能發(fā)電裝置的技術(shù)背景、關(guān)鍵技術(shù)及外觀結(jié)構(gòu)，和發(fā)展前景等方面展開分析，為增加能源利用率，緩解汽車耗電量高等問題做出努力。

關(guān)鍵詞 電子式；汽車尾氣；熱能發(fā)電裝置

中圖分類號(hào) U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2015）09-0043-02

在經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略不斷落實(shí)的刺激下，人們逐漸認(rèn)識(shí)到人與自然和諧發(fā)展的必要性，并在通過技術(shù)提升人們生活水平，改善人們生產(chǎn)生活的過程中兼顧環(huán)境保護(hù)和能源的有效利用，電子式汽車尾氣熱能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)就是認(rèn)識(shí)到環(huán)境保護(hù)重要性，將汽車尾氣中產(chǎn)生的熱能進(jìn)行有效利用的成果。

1 電子式汽車尾氣熱能發(fā)電裝置的技術(shù)背景介紹

本文設(shè)計(jì)的電子式汽車尾氣熱能發(fā)電裝置以溫差電技術(shù)為核心，其于1821年由德國人Seebeck發(fā)現(xiàn)，是利用材料的Seebeck效應(yīng)，通過載流子（電子和空穴）進(jìn)行能量的輸運(yùn)，是制作測溫?zé)犭娕?、溫差發(fā)電和溫差電傳感器的基礎(chǔ)，其原理主要是當(dāng)把兩種不同類型的熱電轉(zhuǎn)換材料N和P的一端結(jié)合并將其置于高溫狀態(tài)，而另一端開路并給以低溫時(shí)，受高溫端的熱激發(fā)作用較強(qiáng)的影響，高溫端的空穴和電子濃度會(huì)明顯高于低溫端，在其驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子將會(huì)向低溫端擴(kuò)散，致使低溫開路端形成電勢差，當(dāng)足夠多對P型和N型熱電轉(zhuǎn)換材料連接起來組成模塊，就可累積到足夠高的電壓，形成一個(gè)溫差發(fā)電機(jī)，在有微小溫差存在的條件下實(shí)現(xiàn)熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，且轉(zhuǎn)換過程中不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，也無氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)存在[1]。

2 電子式汽車尾氣熱能發(fā)電裝置的關(guān)鍵技術(shù)及外觀結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)溫差發(fā)電片以發(fā)電片的熱面粘貼在汽車尾氣排氣管上，冷面通過散熱片與空氣接觸的形式安裝在汽車尾氣排氣管上時(shí)，發(fā)電片的兩側(cè)就會(huì)產(chǎn)生溫差，形成電能，在此裝置設(shè)計(jì)中將溫差發(fā)電片視為發(fā)電裝置核心，不僅結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，而且不需要更改消音器原有結(jié)構(gòu)，具有不怕污染，使用壽命長，可與其他發(fā)電裝置共同使用等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)有效測量結(jié)果，將六塊40×40mm溫差發(fā)電片串聯(lián)，在溫差達(dá)到60℃時(shí)，即可以發(fā)出滿足汽車使用的12V電壓，而現(xiàn)實(shí)生活中，汽車排放尾氣的溫度可以達(dá)到200℃以上，在選擇溫差發(fā)電片時(shí)要特別注意溫差發(fā)電片的溫度范圍，在電子式汽車尾氣熱能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)的過程中選用溫差發(fā)電片型號(hào)為TEP1-142T30，其適用溫度在-40至300℃之間，如果將此裝置安裝于大型車輛，考慮到其尾氣中熱量更多，通常要選擇最高溫度為500°的發(fā)電片，安裝的過程中發(fā)電片的冷端要貼近于散熱片，熱端要貼近于吸熱面，此時(shí)要注意需要安裝發(fā)電片的汽車尾氣排氣管表面必須平坦，特別是冷面，安裝面高度誤差要控制在20微米以內(nèi)，在設(shè)計(jì)裝置安裝過程中，為提升安裝質(zhì)量，在利用導(dǎo)熱硅膠片粘貼發(fā)電片的基礎(chǔ)上用外力壓緊，并利用螺栓固定，利用耐高溫絕緣材料將發(fā)電片導(dǎo)線包裹，并使用704硅膠固定，可以使設(shè)計(jì)的電子式汽車尾氣熱能發(fā)電裝置既實(shí)現(xiàn)將汽車尾氣中的熱能轉(zhuǎn)換成電能的作用，又與汽車結(jié)構(gòu)緊密貼合，不影響汽車的正常駕駛，設(shè)計(jì)的裝置外觀如圖1所示[2]。

在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)將汽車尾氣中的熱能轉(zhuǎn)化成電能的方法較多，但考慮到利用汽車尾氣氣流帶動(dòng)安裝在汽車尾氣排氣管內(nèi)的風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)發(fā)電，滿足汽車內(nèi)設(shè)備使用和蓄電池充電供給，雖成功將汽車尾氣的氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為二次能源電能，增加了能源利用率，但在排氣管內(nèi)安裝風(fēng)扇可能會(huì)影響汽車排氣，長時(shí)間積累可能造成排氣管堵塞，縮減發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，而且整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝麻煩，對汽車改動(dòng)大，不易于維修，所以在進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)中并未采用此方案；而通過在排氣管外圍添加沸點(diǎn)低的液體的氣化過程所產(chǎn)生的氣流帶動(dòng)汽輪機(jī)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的方法，雖同樣可以滿足汽車的電能需求，但在安裝后會(huì)導(dǎo)致外圍裝置過于龐大，不利于在汽車結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，所以在設(shè)計(jì)的過程中同樣不予以采用。而將溫差發(fā)電片作為發(fā)電裝置，一方面實(shí)現(xiàn)利用汽車尾氣中的熱能提升發(fā)電片溫度，另一方面通過散熱片自然冷卻和汽車行駛過程中風(fēng)冷使發(fā)電片溫度降低，使發(fā)電片兩面自然產(chǎn)生溫差，溫差所產(chǎn)生的電能不僅可以供汽車用電器使用及蓄電池充電，而且其安裝過程簡單易操作，后期維修或更換難度低，且整體結(jié)構(gòu)簡單，不需要更改汽車消音器原有結(jié)構(gòu)，利用率高、實(shí)用性大、壽命長，可與其他發(fā)電裝置共同使用，可以推廣使用，所以在裝置設(shè)計(jì)的過程中積極應(yīng)用此方法[3]。

3 電子式汽車尾氣熱能發(fā)電裝置的發(fā)展前景分析

利用發(fā)電片溫差將汽車尾氣中的熱量轉(zhuǎn)化成電能的電子式汽車尾氣熱能發(fā)電裝置時(shí)，首先要將發(fā)電片及散熱片粘貼在消音器上，并用螺栓固定，按照相關(guān)應(yīng)用說明提示以紅色接正，黑色接負(fù)的形式完成導(dǎo)線連接，汽車運(yùn)行的過程中即可發(fā)電，整個(gè)過程并不需要專業(yè)技術(shù)人員完成，已出售的正在使用的汽車可以結(jié)合自身實(shí)際情況選擇自行安裝，成本低，但對環(huán)境的保護(hù)作用和對能源利用效率的提升效果明顯，被汽車所有者接受的可能性較大，由于本文設(shè)計(jì)的電子式汽車尾氣熱能發(fā)電裝置對汽車消音器的原有結(jié)構(gòu)不需要較多改動(dòng)，所以其既可以應(yīng)用于各種燃油車輛，也可以應(yīng)用于現(xiàn)階段較受歡迎的燃?xì)獾能囕v，所以其使用范圍非常廣泛，市場前景廣闊，在人們對人與自然和諧發(fā)展認(rèn)識(shí)逐漸加深的刺激下，人們對汽車功能的要求必然增加環(huán)境破壞性小等方面，傳統(tǒng)汽車耗電量隨著汽車數(shù)量增加而增大的缺點(diǎn)將逐漸暴露，通過增加發(fā)電機(jī)功率以及開發(fā)其他發(fā)電方式改善此缺點(diǎn)的呼聲將越來越高，所以本文設(shè)計(jì)裝置發(fā)展前景巨大，隨著未來汽車數(shù)量的逐漸增加，其所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)空間巨大，本文所設(shè)計(jì)的電子式汽車尾氣熱能發(fā)電裝置在設(shè)計(jì)的過程中進(jìn)行了多次實(shí)物模型模擬操作，用吹風(fēng)機(jī)來模擬汽車尾氣，用小燈泡模擬汽車用電器，并用萬用表測量其實(shí)際電壓極電流，再按比例放大，整個(gè)過程穩(wěn)定、持續(xù)，效果明顯，所以在汽車使用中選擇安裝不必?fù)?dān)心其可能引起安全問題，使用過程有保障。

4 結(jié)論

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，本文所設(shè)計(jì)的電子式汽車尾氣熱能發(fā)電裝置具有有效的轉(zhuǎn)化技術(shù)和滿足現(xiàn)階段人們汽車審美需求的外觀結(jié)構(gòu)，具有一般發(fā)電裝置所不具備有優(yōu)勢，將其應(yīng)用于現(xiàn)階段需求市場旺盛的汽車領(lǐng)域，不僅間接上有利于緩解現(xiàn)階段能源短缺等問題，而且符合人們對汽車功能多樣化的需求，具有廣闊的市場前景。

參考文獻(xiàn)

[1]詹衛(wèi)煒.汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電系統(tǒng)能量流研究[D].武漢理工大學(xué)，2013.

[2]徐剛.汽車尾氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)[D].北京交通大學(xué)，2014.

[3]趙萬楓.內(nèi)燃機(jī)尾氣余熱半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)[D].北京交通大學(xué)，2014.