精簡(jiǎn)式汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)

王黎明　羅文　李博文　李宗林

摘? 要：近年來(lái)車輛的數(shù)目日益增多，尾氣廢熱的排放量越來(lái)越多。我們經(jīng)過(guò)查閱資料，發(fā)現(xiàn)溫差發(fā)電在新型廢熱回收技術(shù)具有高度潛力?；诖思夹g(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了可以將汽車行駛過(guò)程中尾氣管上的熱能直接轉(zhuǎn)換為可利用的電能的系統(tǒng)。將半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件的熱端固定在汽車排氣管外壁上，器件高溫側(cè)就會(huì)向低溫側(cè)傳導(dǎo)熱能并產(chǎn)生熱流，熱能在器件內(nèi)變成電能，輸出直流電壓和電流通過(guò)并聯(lián)多個(gè)這樣的器件便可獲得較大的電流輸出，達(dá)到發(fā)電目的。

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電;壓縮氣體;風(fēng)冷散熱;穩(wěn)壓;升壓

1.研究背景

截止2016年末，我國(guó)民用汽車的保有量為19440萬(wàn)輛，并在以年增長(zhǎng)率超過(guò)17%增長(zhǎng)，中國(guó)已然成為名副其實(shí)的車輛大國(guó)。隨著中國(guó)汽車數(shù)量的增加，車輛消耗的能源與日俱增，車輛的節(jié)能也越來(lái)越受關(guān)注。在國(guó)內(nèi)，汽車的供能方式有汽油、天然氣和電力等。但由于天然氣供能的不穩(wěn)定以及電動(dòng)汽車電能的存儲(chǔ)量等問(wèn)題，使得汽油供能仍為首選?，F(xiàn)在我國(guó)是世界上第二大石油消費(fèi)國(guó)，同時(shí)也是石油和其他液體燃料的第一大凈進(jìn)口國(guó)。我國(guó)的石油價(jià)格一直據(jù)高不下。因此，我們除了尋找能替代石油的新型能源外，提高其利用率乃是重中之重。然而，以現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)指標(biāo)評(píng)估，燃油中60%左右的能量沒(méi)有得到有效利用，在汽車供能時(shí)會(huì)有一大部分以熱的形式浪費(fèi)。其中絕大部分以余熱的形式直接排放到大氣中，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，利用一級(jí)尾氣排放管余熱發(fā)電是一個(gè)很好的節(jié)能途徑。通過(guò)我們?cè)O(shè)計(jì)制作的精簡(jiǎn)式汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)可以收集余熱轉(zhuǎn)換成電能，減少原有供電系統(tǒng)的消耗，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。

2.設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

在汽車尾氣排放管道上尋找合適的位置放置溫差發(fā)電片，將發(fā)電片熱端固定在排氣管道上，冷端加上散熱片以及小型的通風(fēng)管道（利用車行駛時(shí)產(chǎn)生的氣流）進(jìn)行散熱，使發(fā)電片兩端溫差盡可能增大，同時(shí)并聯(lián)多片發(fā)電片使其能量充分利用，并利用穩(wěn)壓芯片使其輸出較為穩(wěn)定的電壓，將產(chǎn)生的電能收集起來(lái)，減少汽車燃油在汽車發(fā)電上消耗的能量，以達(dá)到節(jié)能的目的。

2.2 研究方法

①汽車尾氣排放管溫度的測(cè)量：

由實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)得，汽車三級(jí)尾氣排放管道外壁溫度為90度左右，不滿足設(shè)計(jì)所需溫度，而二級(jí)尾氣排外管道外壁不便于溫差發(fā)電裝置的安裝。在汽車行駛時(shí)，一級(jí)尾氣排放管道外壁溫度在100度到200度，且利用裝置設(shè)置，符合設(shè)計(jì)要求。

②電壓電流與溫差變化的關(guān)系：

由于在汽車上實(shí)測(cè)不太方便且消耗較大，我們前期先在實(shí)驗(yàn)室模擬汽車行駛時(shí)的環(huán)境進(jìn)行溫差的產(chǎn)生的開(kāi)路電壓與發(fā)電電流的初步測(cè)量。

I實(shí)驗(yàn)設(shè)備：

溫差片一片，散熱片四片，紅外測(cè)溫儀，穩(wěn)壓模塊，升壓模塊，萬(wàn)用表，導(dǎo)熱硅脂，電吹風(fēng)兩個(gè)，酒精燈，鐵片一塊，電阻若干，LED小燈，導(dǎo)線若干。

II實(shí)驗(yàn)步驟：

⑴將溫差發(fā)電片通過(guò)導(dǎo)熱硅脂固定在鐵片上，然后點(diǎn)燃酒精燈對(duì)鐵片進(jìn)行加熱，同時(shí)使用吹風(fēng)機(jī)對(duì)散熱片吹風(fēng)，用紅外測(cè)溫儀測(cè)量鐵皮表面溫度，到達(dá)一定溫度測(cè)量開(kāi)路電壓（通過(guò)移動(dòng)酒精燈與鐵皮之間的距離調(diào)控溫度），并進(jìn)行記錄。

⑵接上電阻，當(dāng)鐵皮溫度到達(dá)步驟⑴記錄的數(shù)值時(shí)，測(cè)量電阻兩端的電壓，并計(jì)算其電流大小。

⑶撤去吹風(fēng)機(jī)，加熱一定時(shí)間后測(cè)溫差發(fā)電片熱端和冷端的溫度差，發(fā)現(xiàn)溫差基本在50℃左右，發(fā)電電壓約為3.0V，用一個(gè)吹風(fēng)機(jī)低檔位吹散熱片，溫差在70℃左右，換用高檔位溫差可以升到90℃，換用兩個(gè)吹風(fēng)機(jī)，溫差能達(dá)到100℃以上。

3. 創(chuàng)新特色

在汽車行駛過(guò)程中，精簡(jiǎn)式汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)可以利用塞貝克效應(yīng)（指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象）將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換為可利用的電能。

將半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件的熱端粘到汽車排氣管外壁，使其維持高溫，冷端與散熱片相連接，這樣器件高溫側(cè)就會(huì)向低溫側(cè)傳導(dǎo)熱能并產(chǎn)生熱流。即熱能從高溫側(cè)流入器件內(nèi)，通過(guò)器件將熱能從低溫側(cè)排出時(shí)，流入器件的一部分熱能不放熱，并在器件內(nèi)變成電能，輸出直流電壓和電流。通過(guò)并聯(lián)多個(gè)這樣的器件便可獲得較大的電流。

冷熱端溫差是影響半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件性能的最大因素。為了使溫差發(fā)電片冷端溫度更低，獲取更大的溫差，以便獲得更高的輸出功率，我們?cè)诶涠松岱矫婵紤]了水冷和風(fēng)冷兩種方式。

4.應(yīng)用前景

近年來(lái)，我國(guó)在經(jīng)濟(jì)飛躍的同時(shí)，汽車行業(yè)也有了飛速的發(fā)展。但與此同時(shí)，汽車使用量越大，導(dǎo)致汽車排放尾氣增大、能源減少，一系列資源以及環(huán)境問(wèn)題浮出水面。人們致力于研究節(jié)省燃油以及降低污染和排放成為汽車行業(yè)發(fā)展的一大關(guān)鍵問(wèn)題。本精簡(jiǎn)式溫差發(fā)電系統(tǒng)是一種可以將汽車一級(jí)尾氣的熱能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，可以提高燃油的利用率，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景和廣闊的市場(chǎng)空間。利用汽車尾氣廢熱進(jìn)行溫差發(fā)電的系統(tǒng)已經(jīng)成為各大企業(yè)、高校以及其研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注熱點(diǎn)，該裝置能夠使汽車排放的尾氣內(nèi)的廢熱以電能形式釋放。在此過(guò)程中，可以有效地提高內(nèi)燃機(jī)對(duì)燃料燃燒能量的利用率，提升汽車的燃油利用率，具有很好的應(yīng)用前景和重要的社會(huì)價(jià)值。

目前熱電轉(zhuǎn)換模塊的成本有所下降，并且可利用的中低溫余熱資源十分豐富，且成本非常低，這就使得溫差發(fā)電在某些方面可以和目前有的傳統(tǒng)的發(fā)電方式進(jìn)行商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。

本裝置對(duì)傳統(tǒng)溫差發(fā)電系統(tǒng)的改進(jìn)對(duì)溫差發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于汽車上有著很大意義，相對(duì)于傳統(tǒng)溫差發(fā)電系統(tǒng)的笨重、發(fā)電效率低，本新型發(fā)電系統(tǒng)占地面積小、體積小，同時(shí)一定程度提升了溫差發(fā)電熱電轉(zhuǎn)化效率。對(duì)傳統(tǒng)意義的溫差發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)之后，溫差發(fā)電系統(tǒng)可以方便的安裝到汽車第一級(jí)尾氣排放附近，這樣大大有利于尾氣熱量的吸收，進(jìn)而使溫差更大，提高了發(fā)電效率。