蓄電式汽車尾氣溫差發(fā)電數(shù)碼設(shè)備供電系統(tǒng)

鄒治風(fēng)+++劉帥+++吳嘉坤+++齊明洋

摘 要：汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)，是利用汽車尾氣的余熱發(fā)電的一種節(jié)能環(huán)保型發(fā)電設(shè)備。系統(tǒng)主要由三個(gè)組成模塊：溫差發(fā)電模塊、控制模塊、電能輸出模塊。溫差發(fā)電模塊是以溫差發(fā)電片為核心，利用汽車尾氣余熱產(chǎn)生電能的熱電轉(zhuǎn)換模塊，產(chǎn)生的電能一部分儲(chǔ)存在蓄電池里，一部分直接輸出，給外界數(shù)碼設(shè)備直接供電；控制部分主要實(shí)現(xiàn)限流，欠壓保護(hù)功能，保證設(shè)備的工作正常；電能輸出模塊則完成電能的直流穩(wěn)壓輸出。

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電片；賽貝克效應(yīng)；半導(dǎo)體；穩(wěn)壓模塊

引言

現(xiàn)今，資源短缺成為了全球范圍內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。據(jù)相關(guān)人員測(cè)算，地球上的煤炭資源、天然氣、石油可供人們開(kāi)采的時(shí)間分別不到100～150年、50～60年、30～40年，然而人們依賴的石油資源可供穩(wěn)定開(kāi)采時(shí)間不到30年。為了推廣節(jié)能減排的綠色出行方式，研制了一套蓄電式汽車尾氣溫差發(fā)電及供電系統(tǒng)，用來(lái)回收汽車尾氣中的廢棄能量。一般來(lái)說(shuō)，汽車的尾氣溫度最高可以達(dá)到600℃～700℃，怠速時(shí)也可以達(dá)到400℃，因此足夠?yàn)闇夭畎l(fā)電裝置提供熱源。

1 溫差發(fā)電的基本原理

溫差發(fā)電主要利用的是塞貝克效應(yīng)。在半導(dǎo)體中，熱端的載流子向冷端擴(kuò)散的過(guò)程就產(chǎn)生賽貝克效應(yīng)。以下用P型半導(dǎo)體進(jìn)行闡釋，在開(kāi)路狀態(tài)下，熱端濃度高的空穴向溫度低的冷端擴(kuò)散，因此在P型半導(dǎo)體兩端上形成空間電荷和導(dǎo)體內(nèi)部的壘勢(shì)。通常來(lái)說(shuō)，賽貝克系數(shù)為負(fù)時(shí)，指的是溫差電動(dòng)勢(shì)方式向總半導(dǎo)體的低溫端指向高溫端，相反賽貝克系數(shù)為正?？梢?jiàn)，在有溫度差的半導(dǎo)體中存在電場(chǎng)，因此這時(shí)半導(dǎo)體的能帶是傾斜的，并且其中的Fermi能級(jí)也是傾斜的；兩端Fermi能級(jí)的差就等于溫差電動(dòng)勢(shì)。

2 系統(tǒng)主要構(gòu)成圖及其組成模塊功能簡(jiǎn)介

2.1 系統(tǒng)基本構(gòu)成

系統(tǒng)的主要模塊構(gòu)建如圖1所示。汽車在行駛時(shí)汽車的排氣管排出的高溫氣體作為熱源給安裝在排氣管部位的圓筒式溫差發(fā)電模塊供熱，而水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，利用水的良好的導(dǎo)熱性，給發(fā)電模塊的另一面降溫，從而產(chǎn)生溫差。發(fā)電模塊在一定的溫差下，產(chǎn)生的電能運(yùn)轉(zhuǎn)到控制模塊中，經(jīng)限流、欠壓保護(hù)，再轉(zhuǎn)送到電流輸出模塊，或直接給外界數(shù)碼設(shè)備充電或?qū)⑹Ｓ嗟碾娔軆?chǔ)存在蓄電池中。

2.2 主要模塊功能簡(jiǎn)介

2.2.1 溫差發(fā)電模塊

將N型與P型半導(dǎo)體一端置于高溫處，一端置于低溫含處，就可以獲得溫差電動(dòng)勢(shì)：ES=α？駐T，式中α為賽貝克系數(shù)，單位為V/K，由材料本身的電子結(jié)構(gòu)決定。在本裝置中，采用的溫差發(fā)電片穩(wěn)定工作時(shí)的熱端溫度耐壓值達(dá)到200℃，為裝置提供80℃～120℃的溫差時(shí)，溫差發(fā)電模塊能產(chǎn)生4.8～6V的電壓。

2.2.2 控制模塊

為了有效地保護(hù)電路，使電源能穩(wěn)定地工作，設(shè)計(jì)了欠壓、限流保護(hù)電路?？刂齐娐返墓δ苁钱?dāng)溫差發(fā)電模塊的輸出電壓低于4.2V或負(fù)載電流高于0.1A時(shí)，溫差發(fā)電模塊就直接停止對(duì)外供電，轉(zhuǎn)由電量穩(wěn)定的蓄電池對(duì)外供電。

2.2.3 穩(wěn)壓模塊

在當(dāng)今的數(shù)碼設(shè)備中，絕大部分的數(shù)碼設(shè)備充電時(shí)要求是5V直流電壓與1A左右的電流。然而當(dāng)汽車尾氣溫度波動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的電壓即在4.25～5.65之間波動(dòng)。這就要求所選用輸入為4.2～7V的DC-DC穩(wěn)壓模塊，當(dāng)溫差發(fā)電模塊產(chǎn)生的電壓波動(dòng)時(shí)，穩(wěn)壓模塊也能輸出5V（電壓精度±2.5%）的電壓、與2A的最大電流。

3 系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用溫度在420～550℃之間的酒精爐代替溫度在 450～600℃之間的汽車尾氣進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試對(duì)象將選用兩臺(tái)常用手機(jī)NOKIA N82和MOTO V8及一臺(tái)iPodMP3來(lái)測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

4 結(jié)束語(yǔ)

在21世界這個(gè)以綠色環(huán)保為主導(dǎo)的時(shí)代，溫差發(fā)電的規(guī)模必將越來(lái)越大，但是因溫差發(fā)電受環(huán)境因素影響十分大，各種溫差發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性都會(huì)對(duì)用電電器造成影響，甚至造成電器失效，而且溫差發(fā)電效率不高，這些都是制約當(dāng)今溫差發(fā)電規(guī)模的重要因素，也是當(dāng)今急需解決的問(wèn)題。但是這些不會(huì)阻止溫差發(fā)電技術(shù)發(fā)展的腳步，它的發(fā)展范圍一定會(huì)越來(lái)越廣。

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作者簡(jiǎn)介：鄒治風(fēng)，吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化系學(xué)生。

劉帥，吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化系學(xué)生。

吳嘉坤，吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化系學(xué)生。

*通訊作者：齊明洋，男，碩士，助教，吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院教師，研究方向：新能源與智能控制技術(shù)。