圓筒式尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

戴海燕，李長玉，李淼林

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，廣州 510800）

我國的汽車產(chǎn)銷量已經(jīng)連續(xù)9年位于世界首位。2017年，我國的汽車產(chǎn)銷量分別為2901.54萬輛和2887.89萬輛，約占全球產(chǎn)銷量的1/3。同時(shí)，機(jī)動(dòng)車的保有量也逐年增高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2017年底，我國汽車保有量已經(jīng)達(dá)到3.1億輛。盡管我國政府早已意識(shí)到節(jié)能減排的重要性，大力支持開發(fā)并使用新能源汽車，但其普及還需要較長時(shí)間，因此當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)式汽車仍是汽車行業(yè)主流[1]。而根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，燃料燃燒產(chǎn)生的能量約有60%左右轉(zhuǎn)化為機(jī)械能以克服汽車四大行駛阻力，驅(qū)動(dòng)車輪行駛，另有40%左右的熱量以廢氣形式排放到大氣中，不僅會(huì)造成環(huán)境污染，也浪費(fèi)了能源[2]。

19世紀(jì)20年代，德國學(xué)者Seebeck發(fā)現(xiàn)了塞貝克效應(yīng)，即某些特殊半導(dǎo)體兩端形成溫差時(shí)，閉合電路中會(huì)有電流產(chǎn)生[3]。20世紀(jì)中期，前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)了首臺(tái)熱效率較低，約為1.5%的溫差發(fā)電器。為提高汽車尾氣利用率，2001年美國康明斯公司及2004年通用公司分別開展了尾氣余熱溫差項(xiàng)目的研究，其中康明斯公司設(shè)計(jì)的溫差發(fā)電器熱電轉(zhuǎn)換效率約為5%，通用公司的輕型皮卡加裝溫差發(fā)電器后燃油效率大約提升了2%左右[4]。2008年，歐洲雷諾卡車及沃爾沃公司進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣溫差發(fā)電能量回收的項(xiàng)目研究，在排量為2.0 L的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝溫差發(fā)電裝置，乘坐一名乘客高速行駛時(shí)，可產(chǎn)生130 W功率，該項(xiàng)目最新目標(biāo)是將此技術(shù)應(yīng)用到混合動(dòng)力汽車上[5]。此外，法雷奧公司計(jì)劃在2018年生產(chǎn)出硅化鎂材料的溫差發(fā)電器，并將其應(yīng)用在10000輛汽車上[6]。國內(nèi)對溫差發(fā)電原理應(yīng)用于汽車的研究起步較晚，并且到現(xiàn)在都還沒有應(yīng)用到汽車上。2010年，清華大學(xué)徐立珍等[7]搭建了汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)測試平臺(tái)，針對EQ140-1貨車實(shí)際行駛工況，計(jì)算了該溫差發(fā)電系統(tǒng)回收成本時(shí)間需8.2年。近年來，武漢理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)[8]等也相繼進(jìn)行了尾氣溫差發(fā)電技術(shù)研究，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，熱電轉(zhuǎn)換效率較低，成本回收年限較高，無法真正實(shí)際應(yīng)用于汽車上。

基于此，本研究應(yīng)用塞貝克效應(yīng)的溫差發(fā)電原理，以排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量作為熱端，以冷卻水作為冷端，設(shè)計(jì)了一套圓筒式發(fā)動(dòng)機(jī)余熱溫差發(fā)電裝置。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單成本低，通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有良好的熱電轉(zhuǎn)換效率。對該系統(tǒng)進(jìn)行了溫差發(fā)電試驗(yàn)，驗(yàn)證了利用汽車尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電的可行性。該系統(tǒng)可以較好地提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到節(jié)能減排的目的，具有較好的應(yīng)用前景。

1 溫差發(fā)電原理

溫差發(fā)電實(shí)質(zhì)上應(yīng)用了塞貝克效應(yīng)，即在某些特殊的半導(dǎo)體兩端分別接上冷端和熱端，兩端有溫差形成時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部的電子發(fā)生移動(dòng)，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢，如果是閉合電路，則會(huì)有電流產(chǎn)生[9]。其原理如圖1所示，塞貝克效應(yīng)表明，半導(dǎo)體兩端有溫差存在時(shí)，產(chǎn)生的電動(dòng)勢與溫差應(yīng)是正比關(guān)系[10-14]。

圖1 塞貝克效應(yīng)

即：

式中：αPN為相對塞貝克系數(shù)；αP，αN分別為半導(dǎo)體P、N極塞貝克系數(shù)。由于半導(dǎo)體材料自身的特性原因，單個(gè)PN結(jié)及單個(gè)小尺寸發(fā)電片能夠產(chǎn)生的電壓較小，當(dāng)系統(tǒng)需求較大時(shí)，可以按照功能需要串聯(lián)或者并聯(lián)多個(gè)小尺寸發(fā)電片。

2 圓筒式溫差發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主要采用圓筒式溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由溫差發(fā)電模塊、集熱裝置、冷卻裝置、穩(wěn)壓電路和充電電路組成。其中集熱裝置采用六邊形接近圓筒的結(jié)構(gòu)形式，冷卻裝置包含散熱器、冷卻水管和水泵。溫差發(fā)電裝置通過安裝法蘭緊固在排氣管上。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃料燃燒后形成的高溫尾氣通過排氣管進(jìn)入六邊形集熱器，形成熱端，把熱量傳遞給溫差發(fā)電模塊。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)循環(huán)工作，冷卻液源源不斷地流過圓筒式汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的冷卻水箱，使冷端維持在較低溫度。溫差發(fā)電模塊兩端形成一定溫差，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，在閉合的電路中會(huì)產(chǎn)生電壓和電流，經(jīng)過穩(wěn)壓電路進(jìn)行調(diào)整后即可供負(fù)載使用，同時(shí)多余的電能可供蓄電池充電。

圖2 圓筒式溫差發(fā)電系統(tǒng)

2.1 溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

2.1.1 溫差發(fā)電模塊的選擇

在塞貝克效應(yīng)的基礎(chǔ)上，目前某些科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)研究并生產(chǎn)出很多不同尺寸和材料的溫差發(fā)電片。通過對多個(gè)溫差發(fā)電模塊的比較發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)大多數(shù)溫差發(fā)電模塊最高耐熱溫度基本都在150 ℃～350 ℃之間，綜合考慮最高耐熱溫度、發(fā)電效率及成本因素，選取了某公司生產(chǎn)的TEP1-142T300，工作溫度為-40 ℃～300 ℃，長時(shí)間工作最高溫度為250 ℃，單個(gè)溫差發(fā)電模塊尺寸規(guī)格為 40 mm×40 mm×3.4 mm。其溫差發(fā)電特性如圖3所示。

圖3 溫差發(fā)電模塊發(fā)電特性

當(dāng)為12 V，60 Ah的蓄電池充電時(shí)，充電電壓和電流分別約為14.5 V，6 A左右，根據(jù)對所選擇的發(fā)電片的發(fā)電性能分析，當(dāng)溫差為100 ℃時(shí)，理想狀態(tài)下，可產(chǎn)生4.8 V電壓和0.569 A電流。若要為該蓄電池充電，則需串聯(lián)3個(gè)，并聯(lián)12個(gè)TEP1-142T300發(fā)電片方可滿足充電需要，因此總共至少需要36個(gè)發(fā)電片。

2.1.2 集熱裝置設(shè)計(jì)

目前集熱裝置主要有平板式和圓筒式，本次設(shè)計(jì)考慮到尾氣流動(dòng)通道能夠更符合空氣動(dòng)力學(xué)要求，選擇采用了圓筒式結(jié)構(gòu)。集熱裝置三維圖如圖4所示，集熱裝置包含中間的主體和兩端部分，其中主體部分是橫截面為正六邊形的圓筒結(jié)構(gòu)，每一邊的平面上布置有適合溫差發(fā)電模塊的凹槽，由于溫差發(fā)電片需緊貼集熱裝置表面，而發(fā)電片共有36個(gè)，所以集熱器的每個(gè)面上分別安置6個(gè)發(fā)電片，單個(gè)發(fā)電片的尺寸為40 mm×40 mm×3.4 mm，考慮到安置的需要，相鄰兩片之間間隔為10 mm，因此集熱裝置總長為310 mm，六邊形的邊長為60 mm。集熱器的兩端部分形似漏斗結(jié)構(gòu)，兩端口分別為進(jìn)氣口和出氣口，端口的位置設(shè)計(jì)了法蘭，通過法蘭與排氣管連接。此外，為了將發(fā)電裝置可靠地緊固于汽車上，在發(fā)電裝置上設(shè)計(jì)了整體緊固件，該裝置可削弱因汽車在不平路面行駛時(shí)產(chǎn)生的顛簸，避免溫差發(fā)電裝置出現(xiàn)較大晃動(dòng)。

圖4 圓筒式汽車尾氣溫差發(fā)電裝置三維圖

2.1.3 冷卻裝置設(shè)計(jì)

冷熱端溫差大小直接影響溫差發(fā)電模塊最終發(fā)出的電量大小，所以熱端溫度一定時(shí)，應(yīng)盡可能降低冷端溫度以獲取更多電量。目前可用于尾氣余熱發(fā)電的冷卻方式主要有風(fēng)冷式和水冷式。

風(fēng)冷是在溫差發(fā)電模塊冷端布置型材散熱器或者熱管散熱器，利用汽車行駛過程中產(chǎn)生的空氣對流和溫差發(fā)電模塊冷端產(chǎn)生的熱交換來散發(fā)熱量，使冷端的溫度降低。其散熱效果受車速影響較大，特別是當(dāng)汽車在市區(qū)道路行駛，速度較低且怠速條件較多時(shí)，散熱效果相當(dāng)差。水冷方式則是將水管串聯(lián)到發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)，利用冷卻水的循環(huán)使溫差發(fā)電模塊的冷端穩(wěn)定地維持在較低的溫度，可實(shí)現(xiàn)較好的冷卻效果。水冷散熱雖然結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜但效果較好且較為穩(wěn)定，對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工況要求低，在發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)也可以使用。

通過綜合比較，本次設(shè)計(jì)的冷卻裝置采用了水冷方式，冷卻水箱兩端各設(shè)有6個(gè)進(jìn)出水口，為了加快出水速率，在實(shí)際安裝時(shí)入水口位于左上位置，出水口位于右下位置。冷卻水箱和散熱片的材料均為強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的鋁合金。六邊形集熱器、安裝法蘭均為不銹鋼材料。安裝法蘭通過螺紋安裝，考慮到密閉性和緊固性，法蘭與集熱器采用焊接方式。

2.2 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

汽車在不同工況下運(yùn)動(dòng)時(shí)，排氣管壁的溫度各不相同，因此產(chǎn)生的電壓和電流也不穩(wěn)定。為了滿足車載電器供電需求和汽車蓄電池充電需求，溫差發(fā)電裝置后端需連接穩(wěn)壓裝置。

為額定電壓12 V的蓄電池充電時(shí)，充電電壓一般為14 V左右，此次基于XL4016設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓模塊，其實(shí)際輸出電壓的范圍在輸入電壓范圍內(nèi)，采用效率較高的開關(guān)穩(wěn)壓電源技術(shù)，保證了較高的輸出效率。該穩(wěn)壓可調(diào)電路模塊的基本電路如圖5所示。

其中，輸入電壓Vin=10～40 V；輸出電壓輸出電流Iout=0～10 A。

圖5所示的電路中，對輸入電壓值進(jìn)行了設(shè)置，若各工況條件產(chǎn)生不同電壓時(shí)，只要電壓不超出10～40 V，整個(gè)電路便可正常工作，并輸出穩(wěn)定的電壓供汽車使用。

其中，R2為電位器，實(shí)際使用時(shí)，可調(diào)節(jié)R2的阻值，來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整。由于車用電器需要12 V，蓄電池充電需要14 V，所以R2值可由以下公式得到：

圖5 基于XL4016降壓穩(wěn)壓可調(diào)電路

由式（3）可得，Vout=12 V時(shí)，R2=8.6 kΩ；Vout=14 V時(shí)，R2=12.24 kΩ。根據(jù)電容器的工作原理，電容器值在0.1～1 μF范圍內(nèi)時(shí)，接入電路可實(shí)現(xiàn)高頻去耦，在上述電路中，電容C1，CC，C2選用陶瓷電容器，值為1 μF。

輸入電解電容：Cin=470 μF50V；

輸出電解電容：Cout=1000 μF25V 。

電感L1= 47 μF10A；D1采用低損耗二極管MBR1545，作為續(xù)流二極管的參數(shù)，Uds=45 V，Io=45 V。

電阻R1的取值范圍為240～1.5 kΩ，為了最大程度地降低反饋腳的噪聲，R1應(yīng)選擇低阻值，取R1=1 kΩ。

2.3 充電電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過穩(wěn)壓電路將輸入電壓調(diào)整完畢后，可直接供車載電器使用或?yàn)樾铍姵爻潆?，將電能?chǔ)存起來供后期使用。充電電路模塊是基于UC3906集成電路芯片設(shè)計(jì)的，UC3906是專門應(yīng)用于密封式鉛酸蓄電池的芯片，其內(nèi)部集成的功能模塊能使充電器在很寬的電壓范圍內(nèi)給蓄電池充電。除此之外，還能實(shí)現(xiàn)最佳充電方式所需具備的全部取樣檢查功能和控制功能。

基于UC3906的充電電路如圖6所示，電路中各阻值關(guān)系如下。

圖6 基于UC3906的充電電路

針對12 V/7 Ah鉛酸蓄電池，選擇分流電流ID=100 μA，最大充電電流小0.7 A，Vin=18 V，浮充電壓VF=13.8 V，過充電壓Voc=15 V，最大充電電流Imax=0.5 A，過充終止電流IOCT=0.05 A。根據(jù)上述各電阻關(guān)系，求得各參數(shù)值見表1。

表1 各參數(shù)值

3 熱電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算

根據(jù)集熱器材料及結(jié)構(gòu)特性，整體輸出功率最大的情況下，本次設(shè)計(jì)的集熱器熱效率約為ηj=85%。根據(jù)文獻(xiàn)資料可知，溫差發(fā)電片的熱轉(zhuǎn)換效率ηηw一般低于 6%，而電路模塊的技術(shù)成熟，其轉(zhuǎn)換效率ηd可達(dá)到90% 左右。

綜上所述，可得該溫差發(fā)電系統(tǒng)效率公式為：

式中：η為整個(gè)系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率，%；ηηj為集熱器集熱效率，%；ηηw為發(fā)電片的熱電轉(zhuǎn)換效率，%；ηd為電路熱效率，%。

代入可得該系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率η=η4.59%。而根據(jù)能量守恒定律，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行后，燃料燃燒產(chǎn)生的能量約30%～45%以尾氣形式排放到大氣中，即發(fā)動(dòng)機(jī)每燃燒1 L燃油，約0.4 L左右用來進(jìn)行溫差發(fā)電。則采用該尾氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，每燃燒1 L燃油相當(dāng)于可以回收燃油0.0184 L。對于某最大載重量為20 t的貨車，假如綜合百公里油耗為30 L，一年大約行駛15萬公里，則每年節(jié)約的燃油約為 30× 0.0 184 ×15× 100 00÷ 100 =828L，假如燃油價(jià)格為6.5元/L，則每年可省6.5× 828 =53 82元。

4 溫差發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)原理

將該溫差發(fā)電裝置安裝至某6缸柴油機(jī)的排氣尾管上，為了測試溫差發(fā)電效果，采用某公司生產(chǎn)的FL34970B多路數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行測量。該儀器的電壓測量范圍為1～300 V；電流最大量程為50 A；熱電偶有多種不同類型，可測-165 ℃～1000℃范圍的溫度，其測量精度為0.5%，可同時(shí)測量實(shí)時(shí)溫度、電壓及電流數(shù)據(jù)。

圖7 試驗(yàn)原理

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定后，以1600 rad/min轉(zhuǎn)速運(yùn)行，采用溫度傳感器采集溫差發(fā)電裝置冷端和熱端的溫度，同時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，發(fā)電裝置不同時(shí)刻產(chǎn)生的電壓和電流大小，然后將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)進(jìn)行了多次，取其平均值后，得到在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，溫差發(fā)電系統(tǒng)在不同溫差條件下產(chǎn)生的電壓和電流關(guān)系，如圖8所示。

汽車啟動(dòng)后，排氣管壁溫度逐漸升高，冷卻液的溫度也逐漸升高，通過測量未經(jīng)穩(wěn)壓時(shí)溫差發(fā)電裝置所產(chǎn)生的電壓和電流發(fā)現(xiàn)，隨著溫差的逐漸增大，電壓和電流也逐漸增大，它們之間呈增函數(shù)關(guān)系變化。溫差達(dá)到140℃時(shí)，每12個(gè)發(fā)電片并聯(lián)，3個(gè)串聯(lián)的情況下，可產(chǎn)生25.2 V電壓和11.628 A電流，有足夠的電量可供蓄電池充電或供其它車載電器使用。

圖8 溫差發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電特性

5 結(jié)論

本文基于塞貝克效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一款圓筒式溫差發(fā)電系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)的過程中，選擇了合適的溫差發(fā)電片，結(jié)合功能需求，確定了溫差發(fā)電片的串并聯(lián)連接方式及片數(shù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了圓筒式的集熱裝置、冷卻裝置及系統(tǒng)所需的穩(wěn)壓電路和充電電路。

為了驗(yàn)證該溫差發(fā)電系統(tǒng)的合理性，根據(jù)理論計(jì)算得到了該溫差發(fā)電裝置的發(fā)電效率約為η=η4.59%，當(dāng)該系統(tǒng)用于重載貨車時(shí)，每年可節(jié)省燃油費(fèi)用約5382元。

最后進(jìn)行了圓筒式溫差發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)測試，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，該發(fā)電系統(tǒng)可以產(chǎn)生足夠的電量供車載電器和蓄電池使用。圓筒式尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)提高了汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到了節(jié)能的效果，為今后溫差發(fā)電效率的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。