發(fā)動機(jī)溫差發(fā)電模擬裝置

朱仁橋 周佳駿 張古文

摘 要：溫差發(fā)電技術(shù)是利用塞貝克效應(yīng)直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)，具有無污染、可靠性強(qiáng)等特點，是綠色環(huán)保的發(fā)電方式。發(fā)動機(jī)溫差發(fā)電裝置是對溫差發(fā)電這種新型能源技術(shù)的利用，有著廣闊的發(fā)展前景，本文主要介紹溫差發(fā)電的原理及相關(guān)部件的分析。

關(guān)鍵詞：塞貝克原理；溫差發(fā)電；溫差發(fā)電

1 項目背景及意義

汽車工業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，現(xiàn)如今我國早已超過美日兩國成為全球汽車銷售第一大市場，在這樣的發(fā)展速度下，我們不得不更多地考慮車輛與日俱增的能源消耗及造成的環(huán)境污染問題。以現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)指標(biāo)評價，燃油中有60%左右的能量沒有得到有效利用，絕大部分以熱量形式排放到大氣中，造成了巨大的能源浪費和嚴(yán)重的環(huán)境污染。

一般來說發(fā)動機(jī)氣缸的平均溫度達(dá)到幾百攝氏度而車外空氣只有10℃，將此溫差利用塞貝克效應(yīng)以溫差發(fā)電片為核心元件以發(fā)動機(jī)氣缸外壁為熱量來源進(jìn)行發(fā)電，儲存電能，以滿足部分汽車載用電器的用電，從而達(dá)到提高發(fā)動機(jī)綜合能效，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。同時多余的電能可以另外儲存作為混合動力車重要的電能來源。

2 原理分析

溫差發(fā)電根據(jù)的是塞貝克效應(yīng)，即不同的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體具有不同的自由電子密度，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體相互接觸時，在接觸面上電子就會由高濃度向低濃度擴(kuò)散，而電子擴(kuò)散速率與其接觸區(qū)的溫度成正比，因此只要維持兩金屬間的溫差就能使電子持續(xù)擴(kuò)散從而在兩塊金屬另外兩端的點形成穩(wěn)定的電壓，從而實現(xiàn)溫差發(fā)電。

3 裝置組成及核心部件介紹

溫差發(fā)電裝置主要由集熱裝置、溫差發(fā)電片、散熱器、升壓裝置及用電器組成。下面筆者將主要介紹其核心元件。

3.1 溫差發(fā)電片

溫差發(fā)電片是溫差發(fā)電的核心元件，它的功能是利用冷熱兩端的溫差進(jìn)行發(fā)電，其理想模型如圖1所示

它的一端處于高溫狀態(tài)，形成高溫?zé)嵩?，另一端形成低溫，則由于熱激發(fā)作用，高溫端空穴電子濃度高于低溫端，因此在濃度梯度下空穴和電子就開始向低溫端擴(kuò)散，從而形成電動勢。這便是溫差發(fā)電片利用塞貝克原理將熱能轉(zhuǎn)換為電能的過程。

溫差發(fā)電片的發(fā)電效率與熱電模型的性能直接相關(guān)，選擇適合的熱電材料也一直是溫差發(fā)電研究的重要內(nèi)容。目前用于溫差發(fā)電的熱電材料大多是半導(dǎo)體，在不同的溫差范圍內(nèi)熱電轉(zhuǎn)換效率較高的材料有以下幾種，如表1所示。

顯然，不同熱電材料所承受最高溫度是不同的，如果熱源溫度超過其最高溫度則不能起到良好的發(fā)電作用，甚至?xí)p毀設(shè)備造成一定的危險。所以裝置在選擇溫差發(fā)電片的熱電材料時要充分考慮并控制好熱源溫度，選擇適合的熱電材料。

3.2 溫差發(fā)電片發(fā)電效果的相關(guān)分析

由于缺乏資金及實驗器材，我們在此借鑒其他學(xué)者們所做的實驗數(shù)據(jù)，這樣同樣也可說明一定的問題，如圖2所示。

此圖為溫差發(fā)電器件最大功率與熱源端溫度及熱源與冷源端溫差的曲線關(guān)系。其中θh表示熱源端溫度，θc表示冷源端溫度θh-θc為兩端溫差。則由上圖分析可以看出，冷熱兩端的溫度差越大其發(fā)電功率越高，因此想要提高發(fā)電效率需要兩種途徑來實現(xiàn)，一是在相同的熱端溫度下通過改進(jìn)溫差發(fā)電片的材料來提高溫差發(fā)電的效率；二是增大并維持冷熱兩端的穩(wěn)定的溫度差。所以為了保證溫差的穩(wěn)定必須對冷端進(jìn)行散熱處理，為此我們需進(jìn)行散熱器的設(shè)計。

3.3 散熱器

散熱器的設(shè)計也是影響發(fā)電效率的重要因素，為了保持較高的溫差需要在溫差發(fā)電片的底端增加散熱裝置以保證較高的溫差。經(jīng)過大量的調(diào)查與探究我們知道目前主要采用的散熱方式有：風(fēng)冷散熱、液冷散熱和相變散熱。風(fēng)冷散熱又分為自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷散熱。自然風(fēng)冷散熱器是一定形狀的翅片散熱器，熱阻大小與翅片密度，散熱器的面積直接有關(guān)。強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器與風(fēng)扇相結(jié)合，高溫端熱量傳導(dǎo)到更大面積的翅片上，借助強(qiáng)制散熱將熱量散失到空氣中。熱阻取決于風(fēng)速，風(fēng)速越大，熱阻越小，強(qiáng)制風(fēng)冷可有效地提高散熱器的對流換熱系數(shù)，減小散熱面積，而且結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，因而應(yīng)用較為廣泛。對于液冷散熱，由于液體的單位熱容較氣體大，因而液冷比風(fēng)冷有更好的散熱的效果。研究表明液冷換熱系數(shù)比自然風(fēng)冷散熱大100-1000倍。熱阻大小主要與液體的流速有關(guān)，流速越大熱阻越低，目前應(yīng)用的液體散熱方式主要有液體噴射冷卻、微通道液體冷卻和宏觀水冷管冷卻。相變散熱是利用相變材料相態(tài)變化時吸收熱量來散熱。相比較之下，我們優(yōu)先選擇液冷來作為散熱方式。并結(jié)合風(fēng)冷散熱器的優(yōu)點設(shè)計多個翅片，增加液體與散熱片的接觸面積，從而加強(qiáng)了散熱效果。

4 發(fā)展優(yōu)勢

（1）發(fā)展空間廣闊，節(jié)能效果明顯。以現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)評價指標(biāo)，汽車尾氣和散熱方面的能耗占燃油總能量的60%左右，而現(xiàn)有的溫差發(fā)電片若能很好的配置在發(fā)動機(jī)上，可以從中回收的能量大約占整個燃油所產(chǎn)生能量的5%。將這一部分能量用作汽車用電器或儲存起來作為混合動力汽車供電來源的一部分，可以大大提高能源的利用效率。因此在新能源汽車的發(fā)展潮流下，有著廣闊的發(fā)展空間和市場前景。

（2）體積小，結(jié)構(gòu)簡單。溫差發(fā)電片每片大約有3～6mm厚，面積為15～60cm?，由此溫差發(fā)電片所占據(jù)的體積是有限的。整個裝置需要將發(fā)電模塊，散熱模塊，與熱源連接在一起，并用夾緊機(jī)構(gòu)固定在發(fā)動外壁即可實現(xiàn)發(fā)電，這有助于其普及與推廣。

5 結(jié)語

當(dāng)今社會是一個綠色能源為主導(dǎo)的時代。發(fā)動機(jī)溫差發(fā)電裝置利用了新型的能源技術(shù)，具有無污染、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點，符合時代發(fā)展趨勢，具有廣闊的發(fā)展空間。但由于材料和成本的限制任然存在溫差發(fā)電片具有熱電轉(zhuǎn)換效率低，散熱器與發(fā)動機(jī)機(jī)體配合欠佳等缺陷。相信隨著材料科學(xué)，加工技術(shù)等科技的進(jìn)步，一定能研制出更加優(yōu)秀的溫差發(fā)電片使發(fā)動機(jī)溫差發(fā)電技術(shù)得以成功推廣利用到汽車工業(yè)中去。

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（作者單位：沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院）