關于優化汽車尾氣溫差發電系統效率的探討

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，導致能源大量浪費。針對于這種情況，溫差發電技術的出現有效的解決了這個問題，其通過熱電轉化技術，利用汽車尾氣溫差發電系統可以將尾氣中的余熱轉化為電能輸出，可以有效的提高能源的利用率。溫差發電系統是利用汽車尾氣能量特點將尾氣中的熱能轉化為電能，并通過儲能設備為其他車載用電設備供電，實現能源的重復利用。文中從溫差發電系統概述入手，分析了溫差發電器結構組成，并進一步對優化汽車尾氣溫差發電系統效率的措施進行了具體的闡述。

關鍵詞：汽車尾氣溫差發電;原理;溫差發電器結構;效率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.068

1 溫差發電系統概述

由于溫差發電是依托于賽貝克效應原理，通過將半導體熱電材料一端連接在一起使其處于高溫狀態，另一端開路則處于低溫狀態，冷端形成開路電壓，利用熱電材料的賽貝克效應完成熱能向電能的轉化，其中主要是利用兩種導體或是半導體材料之間所產生的電動勢，而且冷熱兩端溫度差與賽貝克電壓之間呈現為正比關系。溫差發電系統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生，利用熱電模塊產生電能后，并通過熱電模塊進行整流、限壓和穩壓處理后，將電能向外界進行輸送。在溫差發電系統中，廢熱通道和熱電模塊作為主要組成部分，因此溫差發電系統的輸出功率直接受到廢熱通道的內部結構及熱電模塊的連接方式的共同影響，兩者也是提高溫差發電系統發電效率的關鍵所在。

2 溫差發電器結構及運行原理

溫差發電器根據其結構不同可以將其分為內置式和外置式溫差發電器。這其中內置式溫差發電器的應用過程中，其將集熱器與發電模塊與排氣管內壁直接連接，通過高溫尾氣之間的對流來形成發電器熱端，其溫差的獲取主要依賴于排氣管內的高溫熱能和循環水冷，以此來完成熱能向電能的轉換。外置式溫差發電器分為平板式和圓筒式兩種。當前汽車排氣管通常以圓形為主，但發電片結構則為長方體，而且材質也不容易彎曲，這樣就導致溫差發電片與排氣管之間無法實現充分接觸，影響熱量的傳遞。通過利用平板式溫差發電器，將溫差發電片與平板貼緊，采用夾緊裝置對其固定，選擇在排氣消音器與三元催化轉化器之間適宜的位置處進行安裝。在圓筒式溫差發電器中，發電器外形結構為正多邊體，這樣溫差發電片能夠與正多邊體的每個面之間實現緊密貼合，利用對流換熱及熱傳導方式使高溫尾氣熱能能夠及時向發電片的熱端進行傳遞，以風冷或是循環水冷作為冷端，兩端具有較大的溫差，以此來產生電能。

3 優化汽車尾氣溫差發電系統效率的措施

3.1 提升溫差發電材料的性能

近年來隨著科學技術的快速發展，無論是半導體溫差材料還是納米結構材料都取得了較快的進步，這也使溫差發電系統發電效率有了大幅度的提升。目前可以在實踐中進行應用的溫差發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，賽貝克系數得以提高，同時導熱系數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展，單一溫差發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內，溫度范圍進一步拓寬。

3.2 合理設計單片溫差發電模塊的內部構造

溫差發電模塊作為溫差發電裝置中關鍵性的組成部分，由于其在整個裝置中承擔著熱電轉化的任務，因此溫差發電模塊性能與系統的輸出功率具有直接的關系。因此需要對單片溫差發電模塊的構型進行優化設計。在具體設計時，模塊內部熱電原件長度要保證在最佳的范圍內。當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，適當降低導熱基底的厚度，以此來提高輸出功率和能量轉化效率。具體連接方式可以采用列內模塊并聯、列間模塊串聯及層間模塊串聯等方式，這樣可以有效的確保溫差發電模塊的性能，而且有利于最大程度的提升溫差發電模塊的空間和效率，對提高溫差發電裝置的輸出能力具有極為重要的意義。

3.3 優化發電系統拓撲結構

對于發電系統拓撲結構，在對其進行具體優化過程中，需要對溫差發電裝置結構、熱端氣箱設計和冷端構造等給予充分的重視。由于單片溫差發電模塊發電量較小，因此在具體應用過程中，需要將其與溫差發電組相連，通過布置多個單體熱電模塊，以此來組成溫差發電模塊組的拓撲結構。溫差發電模塊最為常見的以平板式、圓柱型及網狀型為主，這其中明層疊平板式結構空間和性能方面都具有一定的優勢，可以有效的提高汽車尾氣溫差發電系統的發電效率。熱端氣箱以上下兩層安裝在汽車尾氣排氣管處，其內外部設有不同的擾流片，溫差發電模塊冷熱端溫度均勻分布，則模塊發電效率也會處于較高水平。因此可以在冷熱端設置擾流片，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。

對于溫差發電系統而言，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系到溫差發電模塊冷熱兩端溫差。通常情況下采用自然風冷和水循環冷卻管道作為冷端散熱方式，而且以水循環冷散熱方式應用居多，其能夠將冷端溫度快速降低的同時，還能夠保證溫度均勻分布，并實現水循環使用，具有非常好的應用效果。

4 結束語

近年來汽車產業發展速度較快，汽車對于能源的消耗也不斷增加，在這種情況下，汽車節能顯得尤為重要。利用汽車尾氣溫差發電系統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電，可以實現能源的節約。因此通過對汽車尾氣溫差發電系統的效率進行優化具有極為重要的現實意義和深遠影響。

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