汽車發(fā)動機排氣余熱溫差發(fā)電技術(shù)的研究

曾 曦

（婁底職業(yè)技術(shù)學院 湖南婁底 417000）

引言

為了解決汽車發(fā)動機能量流失的問題，我國目前已開始了對余熱溫差發(fā)電技術(shù)的研究，設(shè)計了一款可以在汽車的排氣管中對發(fā)動機的余熱進行裝換的設(shè)備，即汽車發(fā)動機排氣余熱溫差發(fā)電設(shè)備。該設(shè)備將汽車的排氣管作為電能轉(zhuǎn)換的熱源，將冷卻循環(huán)水作為電能轉(zhuǎn)換的冷源，在溫差發(fā)電基本原理即塞貝克效應(yīng)作用下輸出電功率。下面，本文就對汽車發(fā)動機余熱利用的相關(guān)技術(shù)進行分析，提高汽車的節(jié)能環(huán)保性。

一、余熱溫差發(fā)電技術(shù)概述

我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)包括建筑行業(yè)、汽車工業(yè)等，并且近年來，我國汽車工業(yè)得到了相應(yīng)的發(fā)展。車輛在使用過程中，對能源的消耗也在不斷地增加，與汽車工業(yè)相關(guān)的節(jié)能技術(shù)也逐漸受到了相關(guān)行業(yè)的重視。并且根據(jù)相關(guān)的研究數(shù)據(jù)來分析，汽車發(fā)動機中燃油有百分之六十左右的能量沒有得到合理的利用，大部分的燃燒能力以余熱的形式被排放到了大氣中。這不僅會對大氣環(huán)境產(chǎn)生嚴重污染，還會導(dǎo)致產(chǎn)生重大的經(jīng)濟損失。當下已經(jīng)有研究學者對汽車發(fā)動機的余熱利用進行了相關(guān)的探究，這一舉措是使汽車走上節(jié)能發(fā)展之路的最佳途徑。汽車的構(gòu)造比較緊湊，并且發(fā)動機的排氣量比較少，汽車自身發(fā)動機余熱的利用，相比于大型的工業(yè)設(shè)備的余熱回收來說，難度更大。從上個世紀七十年代以來，一些工業(yè)發(fā)達的國家就已經(jīng)開始了對溫差發(fā)電設(shè)備的研究，希望用這個設(shè)備來解決汽車發(fā)動機能量損失的情況。溫差發(fā)電設(shè)備依據(jù)的原理是熱電直接轉(zhuǎn)換技術(shù)，該設(shè)備沒有運動部件，結(jié)構(gòu)非常簡單，并且不會產(chǎn)生噪音，在對低品位熱能的利用方面具有較好的優(yōu)勢。如果能夠?qū)⑦@個設(shè)備安裝在汽車發(fā)動機內(nèi)部的排氣裝置上，就可以直接將汽車發(fā)動機內(nèi)部的余熱轉(zhuǎn)化成為電能。溫差發(fā)電設(shè)備的研究包括兩個方面，一個是熱電元器件，另一個是發(fā)電元器件。這兩個都是熱電學領(lǐng)域的重要研究元器件。[1]

二、熱點轉(zhuǎn)換材料和元件

（一）熱電材料

熱點轉(zhuǎn)換元器件是溫差發(fā)電設(shè)備的基礎(chǔ)組成元器件，它的主要功能就是直接將熱能轉(zhuǎn)換成為電能，其作用效率取決于元器件熱電極材料的性能以及元器件自身的質(zhì)量。在上個世紀五十年代的時候，蘇聯(lián)的科學家loffe就已經(jīng)提出了利用半導(dǎo)體材料來進行熱電材料的制造。熱電材料質(zhì)量的好壞決定因素是無量綱優(yōu)值，用于溫差發(fā)電的熱電材料，其電導(dǎo)率不僅要高，而且還要有較低的熱導(dǎo)率。目前用于溫差發(fā)電的熱電新材料，主要包括有梯度材料、復(fù)合材料以及量子阱結(jié)構(gòu)的熱電材料等。[2]

（二）熱電裝換元件

單個的熱電轉(zhuǎn)換元器件產(chǎn)生的功率是非常小的，需要通過串聯(lián)或者并聯(lián)的方式才能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的標準、系列化功率。在這一方面美國Hi-Z公司已經(jīng)研制了可以用于汽車余熱轉(zhuǎn)換的熱電模板，它是由七十一對碲化鉍熱電偶連接起來的一塊熱電轉(zhuǎn)換模板，它被固定在一個被叫做“蛋架”的框架結(jié)構(gòu)上，改熱電模板的轉(zhuǎn)換溫差可以達到兩百攝氏度，可以輸出2.38V/19W的電流。目前，美國Hi-Z公司已經(jīng)研制出了四種不同規(guī)格的熱電模板，并且已經(jīng)形成了一個系列模塊，熱電功率可以達到十九瓦左右。[3]

（三）結(jié)構(gòu)形式分析

溫差發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式與它的熱源特征以及散熱方式和熱能分布情況有著重要的聯(lián)系，并且還與發(fā)電設(shè)備的熱電偶性能、排列情況有著不可分割的關(guān)系。目前，溫差發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種，一種是平板式，另一種是圓桶式。平板式的溫差發(fā)電設(shè)備是將熱電轉(zhuǎn)換元器件平鋪在矩形的排氣通道上，形成一個與太陽能電池陣相似的熱電偶陣。圓桶式的溫差發(fā)電設(shè)備是將熱電元器件鋪設(shè)成一個圓桶狀，該結(jié)構(gòu)形式一般用于比較大型的裝置結(jié)構(gòu)上。[4]

三、仿真模型

如下圖1所示，模型分為兩個部分，一個是流體域，另一個是固體域。中心線的旋轉(zhuǎn)軸為四十五度，每旋轉(zhuǎn)四十五度為一個周期，旋轉(zhuǎn)三百六十度之后就形成了一個周期性網(wǎng)格。以此來對溫差發(fā)電設(shè)備間熱端模型的劃分，劃分的網(wǎng)格數(shù)目大概有一百七十三萬左右，利用ANSYS Fluent進行TEG裝置流固耦合傳熱計算，以流量和壓力這兩個邊界來對模型的進口以及熱端和流道的表面邊界條件進行設(shè)置。

圖1 模型網(wǎng)格劃分圖

四、結(jié)束語

目前，我國已經(jīng)對溫差發(fā)電技術(shù)引起了關(guān)注，并且已經(jīng)有了相關(guān)的科研機構(gòu)對半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)的研究，并且已經(jīng)有了一定的研究成果。但是，目前溫差發(fā)電的效率還是比較低的水平，并且相關(guān)的技術(shù)也都是來至對國外研究成果的借鑒，在理念上缺乏一定的新意。與此同時，在相關(guān)行業(yè)中幾乎沒有溫差發(fā)電技術(shù)的實際應(yīng)用，很多研究成果都還只是停留在理論基礎(chǔ)之上。本文所介紹的熱電轉(zhuǎn)換組件就是半導(dǎo)體制作而成的，并且使用過程中，溫度不能高于兩百攝氏度，這使得產(chǎn)品的性能受到嚴重的制約。因此，找尋高效能的溫差轉(zhuǎn)換材料是我國未來的發(fā)展目標。