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

1、    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。針對于這種情況，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將尾氣中的熱能轉(zhuǎn)化為電能，并通過儲能設(shè)備為其他車載用電設(shè)備供電，實現(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，并進一步對優(yōu)化汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)

2、效率的措施進行了具體的闡述。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/ki.37-1222/t.2019.04.0681 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有溫差產(chǎn)生，利用熱電模塊產(chǎn)生電能后，并通

3、過熱電模塊進行整流、限壓和穩(wěn)壓處理后，將電能向外界進行輸送。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，

4、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面之間實現(xiàn)緊密貼合，利用對流換熱及熱傳導(dǎo)方式使高溫尾氣熱能能夠及時向發(fā)電片的熱端進行傳遞，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

5、納米結(jié)構(gòu)材料都取得了較快的進步，這也使溫差發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率有了大幅度的提升。目前可以在實踐中進行應(yīng)用的溫差發(fā)電材料已達到十幾種之多，而且一些新的制造工藝也不斷興起，通過將不同元素摻雜在合金中，并利用不同制備手段來對傳統(tǒng)熱電材料進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，而且各組分運行中都能夠處于最佳的溫度區(qū)內(nèi)，溫度范圍進一步拓寬。3.2 合理設(shè)計單片溫差發(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，由于其在整個裝置中承擔(dān)著熱電轉(zhuǎn)化的任務(wù)

6、，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。因此需要對單片溫差發(fā)電模塊的構(gòu)型進行優(yōu)化設(shè)計。在具體設(shè)計時，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，輸出功率則會降低，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)拓撲結(jié)構(gòu)對于發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，在對其進行具體優(yōu)化過程中，需要對溫差發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)、熱端氣箱

7、設(shè)計和冷端構(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，通過布置多個單體熱電模塊，以此來組成溫差發(fā)電模塊組的拓撲結(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。對于溫差發(fā)電

8、系統(tǒng)而言，冷端散熱裝置是較為重要的一個部件，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，還能夠保證溫度均勻分布，并實現(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行溫差發(fā)電，可以實現(xiàn)能源的節(jié)約。因此通過對汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)的效率進行優(yōu)化具有極為重要的現(xiàn)實意義和深遠影響。參考文獻：1袁曉紅.汽車發(fā)動機尾氣余熱溫差