電子式汽車尾氣熱能發電裝置

孟祥彬等

摘 要 隨著人們生活水平的提高，汽車數量和對汽車功能設定的標準越來越多，導致汽車的耗電量增大，燃油發動機燃油效率低下等缺點在這個能源緊缺的時代日益突顯，在汽車產業發展的同時開發新的能源和增加能源利用率問題受到廣泛關注，而在汽車尾氣中帶有的大量熱能，如果不能被有效利用，不僅浪費能源，而且對環境會造成一定的污染。所以結合汽車構造設計出可以將汽車尾氣中不能被利用的熱能轉化成電能，供人們使用的裝置，在現階段具有重要的現實意義。本文將此設計思想與個人經驗相結合，進行電子式汽車尾氣熱能發電裝置設計，并從電子式汽車尾氣熱能發電裝置的技術背景、關鍵技術及外觀結構，和發展前景等方面展開分析，為增加能源利用率，緩解汽車耗電量高等問題做出努力。

關鍵詞 電子式；汽車尾氣；熱能發電裝置

中圖分類號 U46 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2015）09-0043-02

在經濟迅猛發展和可持續發展戰略不斷落實的刺激下，人們逐漸認識到人與自然和諧發展的必要性，并在通過技術提升人們生活水平，改善人們生產生活的過程中兼顧環境保護和能源的有效利用，電子式汽車尾氣熱能發電裝置的設計就是認識到環境保護重要性，將汽車尾氣中產生的熱能進行有效利用的成果。

1 電子式汽車尾氣熱能發電裝置的技術背景介紹

本文設計的電子式汽車尾氣熱能發電裝置以溫差電技術為核心，其于1821年由德國人Seebeck發現，是利用材料的Seebeck效應，通過載流子（電子和空穴）進行能量的輸運，是制作測溫熱電偶、溫差發電和溫差電傳感器的基礎，其原理主要是當把兩種不同類型的熱電轉換材料N和P的一端結合并將其置于高溫狀態，而另一端開路并給以低溫時，受高溫端的熱激發作用較強的影響，高溫端的空穴和電子濃度會明顯高于低溫端，在其驅動下，空穴和電子將會向低溫端擴散，致使低溫開路端形成電勢差，當足夠多對P型和N型熱電轉換材料連接起來組成模塊，就可累積到足夠高的電壓，形成一個溫差發電機，在有微小溫差存在的條件下實現熱能直接轉化為電能，且轉換過程中不需要機械運動部件，也無氣態或液態介質存在[1]。

2 電子式汽車尾氣熱能發電裝置的關鍵技術及外觀結構分析

當溫差發電片以發電片的熱面粘貼在汽車尾氣排氣管上，冷面通過散熱片與空氣接觸的形式安裝在汽車尾氣排氣管上時，發電片的兩側就會產生溫差，形成電能，在此裝置設計中將溫差發電片視為發電裝置核心，不僅結構簡單，安裝方便，而且不需要更改消音器原有結構，具有不怕污染，使用壽命長，可與其他發電裝置共同使用等優點，根據有效測量結果，將六塊40×40mm溫差發電片串聯，在溫差達到60℃時，即可以發出滿足汽車使用的12V電壓，而現實生活中，汽車排放尾氣的溫度可以達到200℃以上，在選擇溫差發電片時要特別注意溫差發電片的溫度范圍，在電子式汽車尾氣熱能發電裝置設計的過程中選用溫差發電片型號為TEP1-142T30，其適用溫度在-40至300℃之間，如果將此裝置安裝于大型車輛，考慮到其尾氣中熱量更多，通常要選擇最高溫度為500°的發電片，安裝的過程中發電片的冷端要貼近于散熱片，熱端要貼近于吸熱面，此時要注意需要安裝發電片的汽車尾氣排氣管表面必須平坦，特別是冷面，安裝面高度誤差要控制在20微米以內，在設計裝置安裝過程中，為提升安裝質量，在利用導熱硅膠片粘貼發電片的基礎上用外力壓緊，并利用螺栓固定，利用耐高溫絕緣材料將發電片導線包裹，并使用704硅膠固定，可以使設計的電子式汽車尾氣熱能發電裝置既實現將汽車尾氣中的熱能轉換成電能的作用，又與汽車結構緊密貼合，不影響汽車的正常駕駛，設計的裝置外觀如圖1所示[2]。

在實際中實現將汽車尾氣中的熱能轉化成電能的方法較多，但考慮到利用汽車尾氣氣流帶動安裝在汽車尾氣排氣管內的風扇，實現發電機發電，滿足汽車內設備使用和蓄電池充電供給，雖成功將汽車尾氣的氣體動能轉化為二次能源電能，增加了能源利用率，但在排氣管內安裝風扇可能會影響汽車排氣，長時間積累可能造成排氣管堵塞，縮減發動機的使用壽命，而且整個裝置結構復雜，安裝麻煩，對汽車改動大，不易于維修，所以在進行裝置設計中并未采用此方案；而通過在排氣管外圍添加沸點低的液體的氣化過程所產生的氣流帶動汽輪機，從而帶動發電機發電的方法，雖同樣可以滿足汽車的電能需求，但在安裝后會導致外圍裝置過于龐大，不利于在汽車結構中應用，所以在設計的過程中同樣不予以采用。而將溫差發電片作為發電裝置，一方面實現利用汽車尾氣中的熱能提升發電片溫度，另一方面通過散熱片自然冷卻和汽車行駛過程中風冷使發電片溫度降低，使發電片兩面自然產生溫差，溫差所產生的電能不僅可以供汽車用電器使用及蓄電池充電，而且其安裝過程簡單易操作，后期維修或更換難度低，且整體結構簡單，不需要更改汽車消音器原有結構，利用率高、實用性大、壽命長，可與其他發電裝置共同使用，可以推廣使用，所以在裝置設計的過程中積極應用此方法[3]。

3 電子式汽車尾氣熱能發電裝置的發展前景分析

利用發電片溫差將汽車尾氣中的熱量轉化成電能的電子式汽車尾氣熱能發電裝置時，首先要將發電片及散熱片粘貼在消音器上，并用螺栓固定，按照相關應用說明提示以紅色接正，黑色接負的形式完成導線連接，汽車運行的過程中即可發電，整個過程并不需要專業技術人員完成，已出售的正在使用的汽車可以結合自身實際情況選擇自行安裝，成本低，但對環境的保護作用和對能源利用效率的提升效果明顯，被汽車所有者接受的可能性較大，由于本文設計的電子式汽車尾氣熱能發電裝置對汽車消音器的原有結構不需要較多改動，所以其既可以應用于各種燃油車輛，也可以應用于現階段較受歡迎的燃氣的車輛，所以其使用范圍非常廣泛，市場前景廣闊，在人們對人與自然和諧發展認識逐漸加深的刺激下，人們對汽車功能的要求必然增加環境破壞性小等方面，傳統汽車耗電量隨著汽車數量增加而增大的缺點將逐漸暴露，通過增加發電機功率以及開發其他發電方式改善此缺點的呼聲將越來越高，所以本文設計裝置發展前景巨大，隨著未來汽車數量的逐漸增加，其所產生的經濟效應空間巨大，本文所設計的電子式汽車尾氣熱能發電裝置在設計的過程中進行了多次實物模型模擬操作，用吹風機來模擬汽車尾氣，用小燈泡模擬汽車用電器，并用萬用表測量其實際電壓極電流，再按比例放大，整個過程穩定、持續，效果明顯，所以在汽車使用中選擇安裝不必擔心其可能引起安全問題，使用過程有保障。

4 結論

通過上述分析可以發現，本文所設計的電子式汽車尾氣熱能發電裝置具有有效的轉化技術和滿足現階段人們汽車審美需求的外觀結構，具有一般發電裝置所不具備有優勢，將其應用于現階段需求市場旺盛的汽車領域，不僅間接上有利于緩解現階段能源短缺等問題，而且符合人們對汽車功能多樣化的需求，具有廣闊的市場前景。

參考文獻

[1]詹衛煒.汽車尾氣廢熱溫差發電系統能量流研究[D].武漢理工大學，2013.

[2]徐剛.汽車尾氣余熱溫差發電系統仿真與設計[D].北京交通大學，2014.

[3]趙萬楓.內燃機尾氣余熱半導體溫差發電系統研究設計[D].北京交通大學，2014.