汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱溫差發(fā)電

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱溫差發(fā)電摘要：隨社會(huì)現(xiàn)代化的發(fā)展，能源緊缺現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，車(chē)輛消耗的能源與日俱增，為提高汽車(chē)燃油效率以?xún)?yōu)化能源利用和保護(hù)環(huán)境，提出利用汽車(chē)尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電。設(shè)想可以將納米技術(shù)應(yīng)用到此技術(shù)中，應(yīng)該能提高利用率，減少能源浪費(fèi)。重點(diǎn)介紹溫差發(fā)電基本原理及采用半導(dǎo)體熱電元件的溫差發(fā)電，包括對(duì)半導(dǎo)體材料的要求。對(duì)熱電轉(zhuǎn)換材料性能特點(diǎn)及研究發(fā)展做了簡(jiǎn)單介紹。關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電；熱電轉(zhuǎn)換材料；塞貝克效應(yīng)；應(yīng)用引言：以現(xiàn)有內(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，絕大部分以余熱的形式排放到大氣中，這部分廢氣溫度約在900K?1100K[1]，造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。因此，基于塞貝克效應(yīng)的理論，將溫差發(fā)電器安裝在汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)的排氣管上，能將內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)排出的余熱直接轉(zhuǎn)化成電能，實(shí)現(xiàn)最大限度的挖掘現(xiàn)有能源，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。還可以降低溫度使排氣壓力減少有助于汽車(chē)噪聲電平下降。從目前研究成果來(lái)看，此技術(shù)存在著效率低、成本高、結(jié)構(gòu)不緊密等缺點(diǎn)還未能應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。但由于熱電器件的系列優(yōu)點(diǎn)，如無(wú)移動(dòng)部件、無(wú)工作噪聲、無(wú)污染、無(wú)震顫等使得熱電材料與器件在此技術(shù)上得到了大力研究。1溫差發(fā)電1.1溫差發(fā)電原理溫差發(fā)電是利用兩種連接起來(lái)的半導(dǎo)體的塞貝克效應(yīng)，將熱能轉(zhuǎn)化成電能的一種技術(shù)。半導(dǎo)體溫差發(fā)電的原理如圖1，它由P、N兩種類(lèi)型不同的半導(dǎo)體溫差電材料經(jīng)電導(dǎo)率較高的導(dǎo)流片串聯(lián)并將導(dǎo)流片固定于陶瓷片上而成。在器件的兩端建立一個(gè)溫差，使器件高溫端保持T2，低溫端保持二，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，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，將產(chǎn)生一個(gè)電壓，若在回路中接入負(fù)載電阻，則將有電流流過(guò)。通過(guò)連接多個(gè)這樣的器件串聯(lián)便可獲得較大的電壓。熱端N熱端N型及P型半亭律（碑化融）TT流也源圖1溫差發(fā)電原理圖半導(dǎo)體分為兩型：一種為「型，里面有自由電子；一種叫p型，里面有空穴，即是缺少一個(gè)電子的原子。用兩型半導(dǎo)體組成溫差電偶，當(dāng)半導(dǎo)體兩端溫度不同時(shí)，n型半導(dǎo)體的自由電子就從熱端向冷端移動(dòng)，造成冷端帶負(fù)電而熱端帶正電，產(chǎn)生從熱端向冷端電位差；p型半導(dǎo)體的空穴，卻造成冷端帶正電，熱端帶負(fù)電，產(chǎn)生從冷端向熱端的電位差。因而p型與「型半導(dǎo)體的冷端間的溫差電勢(shì)恰是這兩個(gè)電位差的和。而且，半導(dǎo)體的自由電子或空穴數(shù)目是隨溫度增加的⑵。1.1.1塞貝爾效應(yīng)塞貝克（Seeback）效應(yīng)是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引塞貝克效應(yīng)圖示起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象（如圖）當(dāng)裝置一端處于高溫狀態(tài)，另一端處于低溫狀態(tài)，就會(huì)在回路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)△E=SabAT,式中△T為兩接觸點(diǎn)的溫差，T1、T2分別為低高溫端溫度，SAB為相對(duì)塞貝克系數(shù)（V/K）。SAB=SA-SB △T=（T2-T1）

Seebeck電壓△E與熱冷兩端的溫度差△T成正比，由于半導(dǎo)體具備優(yōu)異的熱電性能，因而成為制作塞貝克效應(yīng)模塊的首選材料。另外，決定一種半導(dǎo)體熱電材料的優(yōu)劣不能僅憑其塞貝克參數(shù)的大小，還必須綜合考慮其電導(dǎo)率，熱導(dǎo)率等眾多因素。1.1.1.1溫差發(fā)電在汽車(chē)尾氣余熱發(fā)電方面的應(yīng)用具體實(shí)施方法：利用汽車(chē)尾氣余熱溫差發(fā)電器，屬于可再生能源技術(shù)領(lǐng)域，該裝置包括集熱器、溫差發(fā)電片、冷卻水箱。（圖2為溫差發(fā)電原理示意圖）。該裝置的連接是集熱器的表面裝有至少一個(gè)溫差發(fā)電片，每個(gè)溫差發(fā)電片的熱端與集熱器的側(cè)面相連，每個(gè)溫差發(fā)電片的冷端與冷卻水箱相接，以獲得較大的溫差。采用集熱器進(jìn)行尾氣余熱集熱，為溫差發(fā)電片提供高溫度，用冷卻水箱為溫差發(fā)電片的冷端進(jìn)行散熱，散熱效果好，散熱不受外界溫度、季節(jié)變化的影響，能使溫差發(fā)電片的冷端溫度保持恒定，溫差發(fā)電片工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，使用方便，性能穩(wěn)定，產(chǎn)能效率高。將此裝置安裝在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上，可以得到較大的轉(zhuǎn)換率和輸出功率（圖3為影響輸出功率的主要因素）。熱源熱端Tn熱端TnIn冷端Tc冷端Tc冷源T圖2—對(duì)N?P電偶溫差發(fā)電原理示意圖20 30 40SOGO80圖3影響溫差發(fā)電輸出功率主要因素圖圖中可見(jiàn)冷熱端溫差越大，輸出功率越大，因此，實(shí)際應(yīng)用中盡可能提高冷熱端溫度差來(lái)加大輸出功率。2熱電轉(zhuǎn)換材料和元件2.2熱電材料的性能指標(biāo)熱電轉(zhuǎn)換器件是溫差發(fā)電器的基本元件,它的功能是將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能,效率取決于熱電極材料的性能和器件的設(shè)計(jì)制造水平。用于溫差發(fā)電的熱電材料都是半導(dǎo)體材料，如用于低溫（300°C以下）熱電材料Bi2Te3及其固溶體合金、中溫(300C?600C)熱電材料PbTe2SnTe、高溫(600C?1000C)熱電材料SiGe、MnTe、SiRe2、CeS等［3］。衡量熱電材料優(yōu)劣的指標(biāo)為“優(yōu)值”Z.Z=a20/A（式中a為塞貝克系數(shù),0為電導(dǎo)率,A為熱導(dǎo)率，Z的量綱為K-1）。也常使用ZT值（稱(chēng)為無(wú)量綱優(yōu)值，T為絕對(duì)溫度）。能夠用于溫差發(fā)電的材料既要有較高的a、o值又要有較低的A值，因而，要提高高優(yōu)值的熱電材料的研究。將熱電轉(zhuǎn)換材料所產(chǎn)生的電能可以直接充入蓄電池或被其它電器所利用（如圖4）痂電池葬I圖4.熱電轉(zhuǎn)換電池組與蓄電池連接圖2.2.2提高材料優(yōu)值的途徑提升熱電材料ZT值的方法一般有兩種，一為提高其功率因子（S2O）,或降低其熱傳導(dǎo)系數(shù)（入）。影響功率因子的物理機(jī)制包括散射參數(shù)、能態(tài)密度、載子移動(dòng)度及費(fèi)米能級(jí)等四項(xiàng)。前三項(xiàng)一般被認(rèn)為是材料的本質(zhì)性質(zhì)，只能依靠更好更純的樣品來(lái)改進(jìn)，而實(shí)驗(yàn)上能控制功率因子的物理量為通過(guò)改變摻雜濃度來(lái)調(diào)整費(fèi)米能級(jí)以達(dá)到最大的S2。值。2.2.2.2熱電材料的研究目前熱電材料的研究主要集中在改進(jìn)材料的微觀結(jié)構(gòu)，例如結(jié)構(gòu)納米化［4］，通過(guò)納米技術(shù)在熱電材料中滲入納米尺寸的雜質(zhì)相制備納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱電材料（雜質(zhì)相可為絕緣體，半導(dǎo)體或金屬，也可為納米尺寸的空洞）。通過(guò)調(diào)整或控制摻入雜質(zhì)的成分結(jié)構(gòu)和大小得到納米級(jí)的新相，提高材料的ZT值。3溫差發(fā)電可行性由文獻(xiàn)數(shù)據(jù)可知，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣所帶走的熱量占所消耗燃料產(chǎn)生熱量的40%，殘余廢氣溫度在800r左右，輕型車(chē)廢氣溫度達(dá)700r，廢氣流速達(dá)20g/s，重型車(chē)廢氣溫度512r，廢氣流速30g/s，利用溫差發(fā)電能得到5?6kw電能。這充分說(shuō)明排氣余熱的溫差發(fā)電具有可行性，只是轉(zhuǎn)化率和效率不夠理想只需在一種熱電材料中摻雜1%的稀土元素鈰或鏡，就可將這種熱電材料的轉(zhuǎn)換效率提高25%⑸.4結(jié)論溫差發(fā)電器用于車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱利用具有廣泛的應(yīng)用前景，并且溫差發(fā)電系統(tǒng)的溫差越大、熱源溫度越高、材料優(yōu)值越高，發(fā)電器的效率就越高⑹。目前存在著效率低，成本高，結(jié)構(gòu)不緊湊等問(wèn)題，因此，提高溫差發(fā)電器性能的方向是開(kāi)發(fā)高優(yōu)值的熱電材料和高效的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。熱電材料的開(kāi)發(fā)使用，可通過(guò)無(wú)污染的熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)利用廢棄熱能獲取電能供生產(chǎn)生活用電?，F(xiàn)時(shí)代世界范圍內(nèi)對(duì)熱電系統(tǒng)的研究主要集中在半導(dǎo)體，它集成了納米科技，品體化學(xué)，熱科學(xué)和能源科學(xué)等內(nèi)容。如今，日美歐等先進(jìn)國(guó)家已經(jīng)普遍重視，而我國(guó)還處于初步研究階段，離國(guó)際先進(jìn)水平還有較大差距，因此，要加大這方面的研究。參考文獻(xiàn)劉忠寶，王浚.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣取熱換熱器動(dòng)態(tài)特性分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(5)：559-661.董桂田.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣廢熱的溫差發(fā)電[J].北京節(jié)能1997(4):7-9.徐立珍，李彥，楊知，陳昌和.汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電的實(shí)驗(yàn)研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，50(2)：2