汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率研究

鄒治風(fēng)　劉帥　吳嘉坤　齊明洋

摘 要：內(nèi)燃機(jī)作為汽車(chē)的主動(dòng)力源，熱利用效率始終偏低，其中由尾氣帶走的熱量就高達(dá)40%。溫差發(fā)電是一項(xiàng)能直接實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)化的技術(shù)，而汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)直接將尾氣中的余熱轉(zhuǎn)化為電能并輸出的裝置。但是傳統(tǒng)的溫差發(fā)電系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)化效率只有7%-10%。經(jīng)過(guò)理論探討與研究，文章從溫差發(fā)電材料、熱電模塊自身性能、熱電模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三個(gè)方面總結(jié)了溫差發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率的提升改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電；塞貝克效應(yīng)；熱電能量轉(zhuǎn)換；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 溫差發(fā)電原理及溫差發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

溫差發(fā)電主要利用半導(dǎo)體熱電材料的塞貝克效應(yīng)。將兩種半導(dǎo)體材料一端連結(jié)放置在高溫端（熱端），另一端開(kāi)路放置在低溫端（冷端），在冷端形成開(kāi)路電壓的現(xiàn)象，就是賽貝克效應(yīng)。利用這個(gè)效應(yīng)直接將熱能轉(zhuǎn)化成電能。在兩種導(dǎo)體或者半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，被稱(chēng)為溫差電動(dòng)勢(shì)。塞貝克電壓與熱冷兩端的溫度差△T成正比，即：

溫差發(fā)電系統(tǒng)一般由熱電模塊、廢熱通道以及冷端散熱裝置3部分組成[1]。熱電模塊安裝在排氣管處，通過(guò)集熱的熱端與散熱快的冷端形成溫差[2]。熱電模塊產(chǎn)生的電能經(jīng)控制模塊，整流、限壓、穩(wěn)壓之后輸送給外界。

2 關(guān)于汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)效率提升與優(yōu)化

2.1 溫差發(fā)電材料的性能提升

1954年Goldsmid發(fā)現(xiàn)具高賽貝克系數(shù)和高原子量的BiTe5， 1958年Brikhoklz和RoSi發(fā)現(xiàn)可以有效降低熱導(dǎo)率的Bi2Te3與Sb2Te3以及Bi2Se3的合金，近些年廣泛使用的各種半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料以及納米結(jié)構(gòu)材料也有新的進(jìn)展，能通過(guò)降低晶體結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)率，提高溫差發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率[3]，溫差發(fā)電材料性能也更加優(yōu)越。

如今，溫差發(fā)（熱電）電材料主要有10種左右。在鈷礦等傳統(tǒng)材料研究的基礎(chǔ)上新的制造工藝的研究正在興起。人們通過(guò)在合金中摻雜不同元素，通過(guò)材料低維化（薄膜化）和梯度化等不同的制備手段對(duì)傳統(tǒng)熱電材料進(jìn)行性能改造，提高優(yōu)值，并取得了顯著的效果。不僅有較大的塞貝克系數(shù)，還有較小的導(dǎo)熱系數(shù)（或稱(chēng)熱導(dǎo)率）及低的電阻率，從而使熱量集中在接頭附近。實(shí)踐證明這些熱電材料正朝著摻雜化、低維化、梯度化和優(yōu)化載流子濃度這些方向發(fā)展。其中材料梯度化是解決目前溫差發(fā)電材料工作溫域較窄的最有效方法，其基本思想是在確保各組分單一溫差發(fā)電材料的性能上，拓寬使用溫度范圍，使各組分都能在各自的最佳溫度區(qū)工作[1]。

2.2 單片溫差發(fā)電模塊內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)

溫差發(fā)電模塊是溫差發(fā)電裝置最核心的組件之一，主要的功能是實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)化，其性能優(yōu)劣直接決定系統(tǒng)輸出功率。一個(gè)由N對(duì)熱電偶組成的熱電模塊產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)V，可通過(guò)公式

式中：NPN-單一熱電偶的總賽貝克系數(shù)；TH-熱電模塊熱端溫度；TC-熱電模塊冷端溫度；△T-模塊兩端的溫差。

系數(shù)NPN為熱電模塊自身的性能參數(shù)。從上式可以看出，要想從系統(tǒng)的本質(zhì)上提發(fā)電效率，需要優(yōu)化模塊的自身構(gòu)造。

單片溫差發(fā)電模塊的構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括熱電原件數(shù)量、長(zhǎng)度、截面積、電極和導(dǎo)熱底布局等，對(duì)于獲得高性能輸出十分重要[4]。文獻(xiàn)[3]的有關(guān)研究表明：

（1）模塊內(nèi)部熱電原件長(zhǎng)度的最優(yōu)長(zhǎng)度值在0.075mm～0.125mm范圍內(nèi)。

（2）輸出功率隨熱電元件截面積的增大而減小。

（3）導(dǎo)熱基底越厚，輸出功率和能量轉(zhuǎn)化效率均會(huì)減小。

提高溫差發(fā)電裝置的輸出能力可以通過(guò)提高溫差發(fā)電模塊的塞貝克系數(shù)、導(dǎo)熱性能、冷熱端溫差及增加溫差發(fā)電模塊數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]，如今廣泛采用列內(nèi)模塊并聯(lián)、列間模塊串聯(lián)、層間模塊串聯(lián)的連接方式，這種構(gòu)造的溫差發(fā)電模塊在空間和效率提升方面占據(jù)主要優(yōu)勢(shì)。

2.3 發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，涉及三個(gè)主要方面：溫差發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化、熱端氣箱設(shè)計(jì)、冷端構(gòu)造改良。

單片溫差發(fā)電模塊的發(fā)電量較小，應(yīng)用時(shí)，通常將單片溫差發(fā)電模塊連接成溫差發(fā)電組。這種多個(gè)單體熱電模塊間的布置關(guān)系稱(chēng)作溫差發(fā)電模塊組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。平板式、圓柱型及網(wǎng)狀型是最常見(jiàn)的溫差發(fā)電模塊外，一般，明層疊平板式是比較有空間和性能優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)[1]，對(duì)汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能最明顯的提高發(fā)電效率。

設(shè)于汽車(chē)尾氣排氣管處的熱端氣箱，分為上下兩層，內(nèi)外部設(shè)有不同的擾流片。有關(guān)研究表明，溫差發(fā)電模塊冷熱端溫度分布越均勻，模塊的發(fā)電效率越高[5]。而在冷熱端設(shè)置擾流片，有降低尾氣流速的作用，不僅使尾氣在熱端停留的時(shí)間稍微加長(zhǎng)，提高尾氣的利用率，更能達(dá)到熱端溫度均勻分布的作用。

冷端散熱裝置是溫差發(fā)電系統(tǒng)必不可少的部件之一，性能的好壞直接決定溫差發(fā)電模塊冷熱兩端溫差?，F(xiàn)今常用的冷端散熱方式有自然風(fēng)冷，和水循環(huán)冷卻管道。前者一般不被采用做汽車(chē)尾氣發(fā)電裝置的散熱方式，原因是空氣的導(dǎo)熱性能好，比熱容小，流動(dòng)速度快等。汽車(chē)尾氣余熱散失快，降低余熱的利用率，還造成冷端溫度不均勻。因此，冷端散熱方式一般選著水循環(huán)冷卻，既能快速降低冷端溫度，又能盡量減小溫度分布不均的問(wèn)題，并且水可以循環(huán)使用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從傳統(tǒng)汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)的基本發(fā)電材料到系統(tǒng)模塊構(gòu)建以及整個(gè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，針對(duì)這三個(gè)部位各自的特點(diǎn)，分別提出改進(jìn)方案。闡明了材料摻雜化、低維化、梯度化以及優(yōu)化載流子作為當(dāng)今溫差發(fā)電材料主要發(fā)展方向的原因。給出單片溫差發(fā)電模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化要點(diǎn)，主要涉及到物理模型優(yōu)化，數(shù)學(xué)模型優(yōu)化。通過(guò)改變發(fā)電片的內(nèi)部構(gòu)型設(shè)計(jì)，定量給出內(nèi)部電原件數(shù)量、長(zhǎng)度、寬度、電極以及導(dǎo)熱底部布局等。提出溫差發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)，包括溫差發(fā)電模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、熱端以及冷端夠造三個(gè)部分優(yōu)化改良，從而整體上提高溫差電系統(tǒng)的發(fā)電效率。

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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)。