汽車廢氣熱能發(fā)電的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張?jiān)骑w 唐小雯 秦雨晨 任艷珍

摘要：利用熱電材料直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，具有無運(yùn)動(dòng)部件、體積小、重量輕和可靠性高等特點(diǎn)，是綠色環(huán)保的發(fā)電蓄能系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：節(jié)能環(huán)保；熱電轉(zhuǎn)換；汽車廢氣熱能

一、項(xiàng)目依據(jù)及意義

據(jù)現(xiàn)有的資料顯示，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣所帶走的熱量占總熱量的40%，當(dāng)中前排氣管達(dá)300-400℃，很顯然廢氣中蘊(yùn)含很大的能量而且沒有很好地被利用，造成能量白白流失。同時(shí)，我們也注意到在日益追求人性化的汽車上，所使用的電氣設(shè)備日益增多，間接或直接加重燃油的消耗，對(duì)環(huán)境造成進(jìn)一步的污染。為此，我們將設(shè)計(jì)一種熱能發(fā)電系統(tǒng)，由排氣管中的熱能來發(fā)電蓄能，供車載電器使用，實(shí)現(xiàn)能源的二次利用。

二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

汽車廢氣熱能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路：利用熱電模塊，一種根據(jù)溫差來產(chǎn)生電能的材料，安裝在汽車的排氣歧管和前排氣管上，熱電模塊一面依附在管的表面上，另外一面至于空氣當(dāng)中，由此溫差產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)蓄電池上，用來驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體電子制冷車載冰箱工作。系統(tǒng)分為兩個(gè)環(huán)節(jié)：第一是廢氣的熱能發(fā)電；第二是運(yùn)用已蓄的電驅(qū)動(dòng)冰箱的工作。以此充分利用廢氣的熱能，達(dá)到廢氣再利用。

三、設(shè)計(jì)總體方案

（一）熱電模塊發(fā)電的原理

熱電模塊發(fā)電是利用材料的Seebeck效應(yīng)，通過載流子（電子和空穴）進(jìn)行能量的輸送。將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)，另一端開路并給予以低溫。由于高溫端的熱激發(fā)作用較強(qiáng)，此端的空穴和電子濃度比低端高，在這種載流子濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子向低溫端擴(kuò)散。從而在低溫開路端形成電勢(shì)差。將許多對(duì)p型和n型熱電轉(zhuǎn)換材料連接起來組成模塊，就可以得到足夠高的電壓，形成一個(gè)溫差發(fā)電機(jī)。

（二）汽車廢氣熱能發(fā)電的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們將熱電模塊安裝于前排氣管（如圖示一），這里不僅有相對(duì)較大的安裝空間，而且溫度達(dá)到所需要求。但為了不讓加裝熱電模塊后影響前排氣管的散熱，從而破壞前排氣管的工作環(huán)境，導(dǎo)致汽車工作異常。因此，我們將熱電模塊設(shè)計(jì)成環(huán)狀形式（如圖示二），以一定間隔嵌套在前排氣管上，熱電模塊與前排氣管之間加裝導(dǎo)熱貼片，這樣不但能夠高效率地吸收前排氣管的熱量，而且不影響其有效散熱。由于每一個(gè)嵌套在前排氣管的環(huán)形熱電模塊相當(dāng)于獨(dú)立的熱能發(fā)電電源，當(dāng)汽車在正常行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況多變等原因，導(dǎo)致前排氣管外表面的溫度不穩(wěn)定，造成所產(chǎn)生的電壓波動(dòng)比較大，使充電電路工作不穩(wěn)定。為了消除影響，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路里加入了穩(wěn)壓器，以使電壓得到穩(wěn)定。

通過這樣的方式，我們就能利用廢氣的熱能來進(jìn)行發(fā)電。更為重要的是，我們能通過一定量的實(shí)驗(yàn)及分析其數(shù)據(jù)，來判定熱電模塊環(huán)狀的數(shù)量與規(guī)格，進(jìn)而控制其輸出電壓和功率，以匹配各種車載電器設(shè)備。

前排氣管表面溫度達(dá)到300-400℃，這符合設(shè)計(jì)要求。我們將發(fā)電電路的所有環(huán)形熱電模塊分為兩組（如圖示三），第一組為直接向車載冰箱供電（靠近發(fā)動(dòng)機(jī)端，溫度較高，能滿足直供要求）；第二組為向蓄電池進(jìn)行充電。在直接供電部分，我們把該組的環(huán)狀熱電模塊進(jìn)行串、并聯(lián)，串聯(lián)能夠增大其輸出電壓，并聯(lián)可以增加其輸出電流，以保證足夠的輸出功率，同時(shí)加裝上穩(wěn)壓器，力求所產(chǎn)生的電壓與電流符合車載冰箱的工作要求。而在蓄電池蓄電部分，熱電模塊采取串聯(lián)的方式，以增大其輸出電壓，同時(shí)也串上穩(wěn)壓器，形成一個(gè)穩(wěn)定的電壓，向蓄電池供電。對(duì)于以上兩種獨(dú)立的工作電路，我們采用溫度控制開關(guān)來進(jìn)行控制。當(dāng)前排氣管溫度達(dá)到要求時(shí)，直供部分與蓄電池蓄電部分這兩條電路同時(shí)接通。汽車熄滅后，前排氣管溫度下降到設(shè)定溫度以下，溫度控制開關(guān)斷開以上兩條電路，而接通由蓄電池供給冰箱的電路，保證冰箱能在一定時(shí)間里繼續(xù)工作。

當(dāng)使用車載冰箱時(shí)，溫度控制開關(guān)控制著各電路的接通。當(dāng)前排氣管溫度低于所設(shè)定的溫度，此時(shí)1，3端口接通，車載冰箱由蓄電池供電；當(dāng)前排氣管溫度高于所設(shè)定的溫度時(shí)，1，2端口接通且3，4端口也接通，此時(shí)車載冰箱由熱電模塊組1直接供電，而熱電模塊組2向蓄電池充電。

具體工作過程如下：當(dāng)汽車啟動(dòng)時(shí)，前排氣管由環(huán)境溫度到達(dá)所需的工作溫度（這段時(shí)間大概為20秒，可以忽略不計(jì)），這時(shí)，溫度控制開關(guān)使直供部分和蓄電池蓄電部分同時(shí)接通，直供部分就供給冰箱，蓄電部分就為蓄電池蓄電。駕駛者需要使用冰箱時(shí)，只需按下開關(guān)按鈕，冰箱即能正常工作；當(dāng)駕駛員將汽車熄滅后，當(dāng)溫度下降到設(shè)定溫度時(shí)，由于直供電路產(chǎn)生的電能不能保證電冰箱的正常工作，溫度控制開關(guān)切斷直供電路，而接通蓄電池與冰箱之間的電路，此時(shí)冰箱直接由蓄電池供電，能維持一定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)工作。這樣的電路設(shè)計(jì)能使汽車電器減小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的依賴。

四、可行性分析：

（1）節(jié)能環(huán)保分析：由于利用的是二次能源，符合綠色環(huán)保低碳的主流。同時(shí)能存蓄一定能量，以減少能量的流失。

（2）市場(chǎng)前景分析：熱電材料造價(jià)合理，技術(shù)日漸成熟；熱能發(fā)電技術(shù)逐漸得到重視，相信這套汽車廢氣熱能發(fā)電系統(tǒng)能得到廣大汽車用戶的認(rèn)可。

（3）實(shí)現(xiàn)的可能性分析：前排氣管具有熱量采取方便，溫度相對(duì)穩(wěn)定，且安裝空間大，便于安裝與拆卸，十分合適安裝熱電模塊。同時(shí)方便線路布置，對(duì)汽車總體結(jié)構(gòu)影響不大。根據(jù)我們所掌握的信息和技術(shù)，完成這套系統(tǒng)的制作相信不會(huì)遇到很大的障礙。

五、項(xiàng)目的特色和創(chuàng)新之處

1.本系統(tǒng)具有清潔、無噪音污染、無毒害物質(zhì)排放、高效、壽命長、堅(jiān)固、可靠性高、穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)。

2.符合綠色環(huán)保要求，實(shí)現(xiàn)了能源的二次利用，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

3.發(fā)電部分采取環(huán)狀嵌套方式，便于安裝的同時(shí)也不會(huì)使汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)做出太大的改動(dòng)。

4.造價(jià)低廉，且器件可回收再用，符合社會(huì)的低碳生活要求。

5.利用廢氣余熱作為能源，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)參考發(fā)動(dòng)機(jī)原理等，具有不影響汽車原有的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)。

6.結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。實(shí)用性強(qiáng)，功能多樣化（廢氣余熱所產(chǎn)生的電不僅可用于車載冰箱，也可以用于其他電氣設(shè)備）。

（作者單位：中北大學(xué)朔州校區(qū)）