汽車尾氣溫差發電系統發電效率研究

鄒治風　劉帥　吳嘉坤　齊明洋

摘 要：內燃機作為汽車的主動力源，熱利用效率始終偏低，其中由尾氣帶走的熱量就高達40%。溫差發電是一項能直接實現熱電轉化的技術，而汽車尾氣溫差發電系統是一個直接將尾氣中的余熱轉化為電能并輸出的裝置。但是傳統的溫差發電系統熱電轉化效率只有7%-10%。經過理論探討與研究，文章從溫差發電材料、熱電模塊自身性能、熱電模塊拓撲結構三個方面總結了溫差發電系統發電效率的提升改進方案。

關鍵詞：溫差發電；塞貝克效應；熱電能量轉換；拓撲結構

1 溫差發電原理及溫差發電系統簡介

溫差發電主要利用半導體熱電材料的塞貝克效應。將兩種半導體材料一端連結放置在高溫端（熱端），另一端開路放置在低溫端（冷端），在冷端形成開路電壓的現象，就是賽貝克效應。利用這個效應直接將熱能轉化成電能。在兩種導體或者半導體材料中產生的電動勢，被稱為溫差電動勢。塞貝克電壓與熱冷兩端的溫度差△T成正比，即：

溫差發電系統一般由熱電模塊、廢熱通道以及冷端散熱裝置3部分組成[1]。熱電模塊安裝在排氣管處，通過集熱的熱端與散熱快的冷端形成溫差[2]。熱電模塊產生的電能經控制模塊，整流、限壓、穩壓之后輸送給外界。

2 關于汽車尾氣溫差發電系統效率提升與優化

2.1 溫差發電材料的性能提升

1954年Goldsmid發現具高賽貝克系數和高原子量的BiTe5， 1958年Brikhoklz和RoSi發現可以有效降低熱導率的Bi2Te3與Sb2Te3以及Bi2Se3的合金，近些年廣泛使用的各種半導體溫差發電材料以及納米結構材料也有新的進展，能通過降低晶體結構熱導率，提高溫差發電系統的發電效率[3]，溫差發電材料性能也更加優越。

如今，溫差發（熱電）電材料主要有10種左右。在鈷礦等傳統材料研究的基礎上新的制造工藝的研究正在興起。人們通過在合金中摻雜不同元素，通過材料低維化（薄膜化）和梯度化等不同的制備手段對傳統熱電材料進行性能改造，提高優值，并取得了顯著的效果。不僅有較大的塞貝克系數，還有較小的導熱系數（或稱熱導率）及低的電阻率，從而使熱量集中在接頭附近。實踐證明這些熱電材料正朝著摻雜化、低維化、梯度化和優化載流子濃度這些方向發展。其中材料梯度化是解決目前溫差發電材料工作溫域較窄的最有效方法，其基本思想是在確保各組分單一溫差發電材料的性能上，拓寬使用溫度范圍，使各組分都能在各自的最佳溫度區工作[1]。

2.2 單片溫差發電模塊內部構造設計

溫差發電模塊是溫差發電裝置最核心的組件之一，主要的功能是實現熱電轉化，其性能優劣直接決定系統輸出功率。一個由N對熱電偶組成的熱電模塊產生的電動勢V，可通過公式

式中：NPN-單一熱電偶的總賽貝克系數；TH-熱電模塊熱端溫度；TC-熱電模塊冷端溫度；△T-模塊兩端的溫差。

系數NPN為熱電模塊自身的性能參數。從上式可以看出，要想從系統的本質上提發電效率，需要優化模塊的自身構造。

單片溫差發電模塊的構型優化設計主要包括熱電原件數量、長度、截面積、電極和導熱底布局等，對于獲得高性能輸出十分重要[4]。文獻[3]的有關研究表明：

（1）模塊內部熱電原件長度的最優長度值在0.075mm～0.125mm范圍內。

（2）輸出功率隨熱電元件截面積的增大而減小。

（3）導熱基底越厚，輸出功率和能量轉化效率均會減小。

提高溫差發電裝置的輸出能力可以通過提高溫差發電模塊的塞貝克系數、導熱性能、冷熱端溫差及增加溫差發電模塊數量來實現[5]，如今廣泛采用列內模塊并聯、列間模塊串聯、層間模塊串聯的連接方式，這種構造的溫差發電模塊在空間和效率提升方面占據主要優勢。

2.3 發電系統的拓撲結構

汽車尾氣溫差發電裝置拓撲結構的優化，涉及三個主要方面：溫差發電裝置結構優化、熱端氣箱設計、冷端構造改良。

單片溫差發電模塊的發電量較小，應用時，通常將單片溫差發電模塊連接成溫差發電組。這種多個單體熱電模塊間的布置關系稱作溫差發電模塊組的拓撲結構。平板式、圓柱型及網狀型是最常見的溫差發電模塊外，一般，明層疊平板式是比較有空間和性能優勢的結構[1]，對汽車尾氣溫差發電系統來說，能最明顯的提高發電效率。

設于汽車尾氣排氣管處的熱端氣箱，分為上下兩層，內外部設有不同的擾流片。有關研究表明，溫差發電模塊冷熱端溫度分布越均勻，模塊的發電效率越高[5]。而在冷熱端設置擾流片，有降低尾氣流速的作用，不僅使尾氣在熱端停留的時間稍微加長，提高尾氣的利用率，更能達到熱端溫度均勻分布的作用。

冷端散熱裝置是溫差發電系統必不可少的部件之一，性能的好壞直接決定溫差發電模塊冷熱兩端溫差。現今常用的冷端散熱方式有自然風冷，和水循環冷卻管道。前者一般不被采用做汽車尾氣發電裝置的散熱方式，原因是空氣的導熱性能好，比熱容小，流動速度快等。汽車尾氣余熱散失快，降低余熱的利用率，還造成冷端溫度不均勻。因此，冷端散熱方式一般選著水循環冷卻，既能快速降低冷端溫度，又能盡量減小溫度分布不均的問題，并且水可以循環使用。

3 結束語

本文從傳統汽車尾氣溫差發電系統的基本發電材料到系統模塊構建以及整個系統的拓撲結構出發，針對這三個部位各自的特點，分別提出改進方案。闡明了材料摻雜化、低維化、梯度化以及優化載流子作為當今溫差發電材料主要發展方向的原因。給出單片溫差發電模塊結構的優化要點，主要涉及到物理模型優化，數學模型優化。通過改變發電片的內部構型設計，定量給出內部電原件數量、長度、寬度、電極以及導熱底部布局等。提出溫差發電系統拓撲結構改進，包括溫差發電模塊的拓撲結構、熱端以及冷端夠造三個部分優化改良，從而整體上提高溫差電系統的發電效率。

參考文獻

[1]袁曉紅.汽車發動機尾氣余熱溫差發電裝置熱電轉換技術研究

[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[2]郭珣.汽車尾氣溫差發電效率的影響因素[J].汽車工程師，2011（6）：45-47.

[3]程富強.碲化鉍溫差發電模塊結構型優化設計[D].高電壓技術，2014（4）.

[4]許志建，徐行.塞貝克效應與溫差發電[J].現代物理知識，2004（1）：41-42.

[5]張哲.基于塞貝克效應的熱電能量轉換系統設計與優化[D].北京：北京林業大學，2016.

作者簡介：鄒治風，吉林農業科技學院電氣工程及其自動化系學生。

劉帥，吉林農業科技學院電氣工程及其自動化系學生。

吳嘉坤，吉林農業科技學院電氣工程及其自動化系學生。

*通訊作者：齊明洋，男，碩士，助教，吉林農業科技學院教師，研究方向：新能源與智能控制技術。