關(guān)于優(yōu)化汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)效率的探討

曹相贏

摘 要：近年來汽車保有量不斷增加，但一直以來汽車運(yùn)行過程中都存在能量利用率低的問題，特別是通過尾氣帶走較多的熱量，導(dǎo)致能源大量浪費(fèi)。針對(duì)于這種情況，溫差發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)有效的解決了這個(gè)問題，其通過熱電轉(zhuǎn)化技術(shù)，利用汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)可以將尾氣中的余熱轉(zhuǎn)化為電能輸出，可以有效的提高能源的利用率。溫差發(fā)電系統(tǒng)是利用汽車尾氣能量特點(diǎn)將尾氣中的熱能轉(zhuǎn)化為電能，并通過儲(chǔ)能設(shè)備為其他車載用電設(shè)備供電，實(shí)現(xiàn)能源的重復(fù)利用。文中從溫差發(fā)電系統(tǒng)概述入手，分析了溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)組成，并進(jìn)一步對(duì)優(yōu)化汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)效率的措施進(jìn)行了具體的闡述。

關(guān)鍵詞：汽車尾氣溫差發(fā)電;原理;溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu);效率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.068

1 溫差發(fā)電系統(tǒng)概述

由于溫差發(fā)電是依托于賽貝克效應(yīng)原理，通過將半導(dǎo)體熱電材料一端連接在一起使其處于高溫狀態(tài)，另一端開路則處于低溫狀態(tài)，冷端形成開路電壓，利用熱電材料的賽貝克效應(yīng)完成熱能向電能的轉(zhuǎn)化，其中主要是利用兩種導(dǎo)體或是半導(dǎo)體材料之間所產(chǎn)生的電動(dòng)勢，而且冷熱兩端溫度差與賽貝克電壓之間呈現(xiàn)為正比關(guān)系。溫差發(fā)電系統(tǒng)主要組成為熱電模塊、廢熱通道及冷卻水箱。在汽車排氣管處來安裝熱電模塊，這樣熱端和冷端之間會(huì)有溫差產(chǎn)生，利用熱電模塊產(chǎn)生電能后，并通過熱電模塊進(jìn)行整流、限壓和穩(wěn)壓處理后，將電能向外界進(jìn)行輸送。在溫差發(fā)電系統(tǒng)中，廢熱通道和熱電模塊作為主要組成部分，因此溫差發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率直接受到廢熱通道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及熱電模塊的連接方式的共同影響，兩者也是提高溫差發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率的關(guān)鍵所在。

2 溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

溫差發(fā)電器根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同可以將其分為內(nèi)置式和外置式溫差發(fā)電器。這其中內(nèi)置式溫差發(fā)電器的應(yīng)用過程中，其將集熱器與發(fā)電模塊與排氣管內(nèi)壁直接連接，通過高溫尾氣之間的對(duì)流來形成發(fā)電器熱端，其溫差的獲取主要依賴于排氣管內(nèi)的高溫?zé)崮芎脱h(huán)水冷，以此來完成熱能向電能的轉(zhuǎn)換。外置式溫差發(fā)電器分為平板式和圓筒式兩種。當(dāng)前汽車排氣管通常以圓形為主，但發(fā)電片結(jié)構(gòu)則為長方體，而且材質(zhì)也不容易彎曲，這樣就導(dǎo)致溫差發(fā)電片與排氣管之間無法實(shí)現(xiàn)充分接觸，影響熱量的傳遞。通過利用平板式溫差發(fā)電器，將溫差發(fā)電片與平板貼緊，采用夾緊裝置對(duì)其固定，選擇在排氣消音器與三元催化轉(zhuǎn)化器之間適宜的位置處進(jìn)行安裝。在圓筒式溫差發(fā)電器中，發(fā)電器外形結(jié)構(gòu)為正多邊體，這樣溫差發(fā)電片能夠與正多邊體的每個(gè)面之間實(shí)現(xiàn)緊密貼合，利用對(duì)流換熱及熱傳導(dǎo)方式使高溫尾氣熱能能夠及時(shí)向發(fā)電片的熱端進(jìn)行傳遞，以風(fēng)冷或是循環(huán)水冷作為冷端，兩端具有較大的溫差，以此來產(chǎn)生電能。

3 優(yōu)化汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)效率的措施

3.1 提升溫差發(fā)電材料的性能

近年來隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，無論是半導(dǎo)體溫差材料還是納米結(jié)構(gòu)材料都取得了較快的進(jìn)步，這也使溫差發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率有了大幅度的提升。目前可以在實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用的溫差發(fā)電材料已達(dá)到十幾種之多，而且一些新的制造工藝也不斷興起，通過將不同元素?fù)诫s在合金中，并利用不同制備手段來對(duì)傳統(tǒng)熱電材料進(jìn)行低維化和梯度化改造，取得了較好的效果，賽貝克系數(shù)得以提高，同時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)和電阻率都處于較低水平，熱量能夠集中在接頭附近。特別是材料梯度化的發(fā)展，單一溫差發(fā)電材料的性能有了較大的保障，而且各組分運(yùn)行中都能夠處于最佳的溫度區(qū)內(nèi)，溫度范圍進(jìn)一步拓寬。

3.2 合理設(shè)計(jì)單片溫差發(fā)電模塊的內(nèi)部構(gòu)造

溫差發(fā)電模塊作為溫差發(fā)電裝置中關(guān)鍵性的組成部分，由于其在整個(gè)裝置中承擔(dān)著熱電轉(zhuǎn)化的任務(wù)，因此溫差發(fā)電模塊性能與系統(tǒng)的輸出功率具有直接的關(guān)系。因此需要對(duì)單片溫差發(fā)電模塊的構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，模塊內(nèi)部熱電原件長度要保證在最佳的范圍內(nèi)。當(dāng)熱電元件截面積越大時(shí)，輸出功率則會(huì)降低，因此需要合理確定熱電元件截面積，適當(dāng)降低導(dǎo)熱基底的厚度，以此來提高輸出功率和能量轉(zhuǎn)化效率。具體連接方式可以采用列內(nèi)模塊并聯(lián)、列間模塊串聯(lián)及層間模塊串聯(lián)等方式，這樣可以有效的確保溫差發(fā)電模塊的性能，而且有利于最大程度的提升溫差發(fā)電模塊的空間和效率，對(duì)提高溫差發(fā)電裝置的輸出能力具有極為重要的意義。

3.3 優(yōu)化發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在對(duì)其進(jìn)行具體優(yōu)化過程中，需要對(duì)溫差發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)、熱端氣箱設(shè)計(jì)和冷端構(gòu)造等給予充分的重視。由于單片溫差發(fā)電模塊發(fā)電量較小，因此在具體應(yīng)用過程中，需要將其與溫差發(fā)電組相連，通過布置多個(gè)單體熱電模塊，以此來組成溫差發(fā)電模塊組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。溫差發(fā)電模塊最為常見的以平板式、圓柱型及網(wǎng)狀型為主，這其中明層疊平板式結(jié)構(gòu)空間和性能方面都具有一定的優(yōu)勢，可以有效的提高汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。熱端氣箱以上下兩層安裝在汽車尾氣排氣管處，其內(nèi)外部設(shè)有不同的擾流片，溫差發(fā)電模塊冷熱端溫度均勻分布，則模塊發(fā)電效率也會(huì)處于較高水平。因此可以在冷熱端設(shè)置擾流片，可以有效的降低尾氣流速，而且尾氣能夠長時(shí)間的停留在熱端，有利于提高尾氣利用率，并確保熱端溫度分布均勻。

對(duì)于溫差發(fā)電系統(tǒng)而言，冷端散熱裝置是較為重要的一個(gè)部件，冷端散熱裝置的性能直接關(guān)系到溫差發(fā)電模塊冷熱兩端溫差。通常情況下采用自然風(fēng)冷和水循環(huán)冷卻管道作為冷端散熱方式，而且以水循環(huán)冷散熱方式應(yīng)用居多，其能夠?qū)⒗涠藴囟瓤焖俳档偷耐瑫r(shí)，還能夠保證溫度均勻分布，并實(shí)現(xiàn)水循環(huán)使用，具有非常好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)束語

近年來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度較快，汽車對(duì)于能源的消耗也不斷增加，在這種情況下，汽車節(jié)能顯得尤為重要。利用汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)可以有效的提高汽車能量的利用效率，即通過利用尾氣中所帶走的能量進(jìn)行溫差發(fā)電，可以實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約。因此通過對(duì)汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)的效率進(jìn)行優(yōu)化具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)影響。

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