汽車發動機排氣余熱溫差發電技術的研究

曾 曦

（婁底職業技術學院 湖南婁底 417000）

引言

為了解決汽車發動機能量流失的問題，我國目前已開始了對余熱溫差發電技術的研究，設計了一款可以在汽車的排氣管中對發動機的余熱進行裝換的設備，即汽車發動機排氣余熱溫差發電設備。該設備將汽車的排氣管作為電能轉換的熱源，將冷卻循環水作為電能轉換的冷源，在溫差發電基本原理即塞貝克效應作用下輸出電功率。下面，本文就對汽車發動機余熱利用的相關技術進行分析，提高汽車的節能環保性。

一、余熱溫差發電技術概述

我國國民經濟的支柱產業包括建筑行業、汽車工業等，并且近年來，我國汽車工業得到了相應的發展。車輛在使用過程中，對能源的消耗也在不斷地增加，與汽車工業相關的節能技術也逐漸受到了相關行業的重視。并且根據相關的研究數據來分析，汽車發動機中燃油有百分之六十左右的能量沒有得到合理的利用，大部分的燃燒能力以余熱的形式被排放到了大氣中。這不僅會對大氣環境產生嚴重污染，還會導致產生重大的經濟損失。當下已經有研究學者對汽車發動機的余熱利用進行了相關的探究，這一舉措是使汽車走上節能發展之路的最佳途徑。汽車的構造比較緊湊，并且發動機的排氣量比較少，汽車自身發動機余熱的利用，相比于大型的工業設備的余熱回收來說，難度更大。從上個世紀七十年代以來，一些工業發達的國家就已經開始了對溫差發電設備的研究，希望用這個設備來解決汽車發動機能量損失的情況。溫差發電設備依據的原理是熱電直接轉換技術，該設備沒有運動部件，結構非常簡單，并且不會產生噪音，在對低品位熱能的利用方面具有較好的優勢。如果能夠將這個設備安裝在汽車發動機內部的排氣裝置上，就可以直接將汽車發動機內部的余熱轉化成為電能。溫差發電設備的研究包括兩個方面，一個是熱電元器件，另一個是發電元器件。這兩個都是熱電學領域的重要研究元器件。[1]

二、熱點轉換材料和元件

（一）熱電材料

熱點轉換元器件是溫差發電設備的基礎組成元器件，它的主要功能就是直接將熱能轉換成為電能，其作用效率取決于元器件熱電極材料的性能以及元器件自身的質量。在上個世紀五十年代的時候，蘇聯的科學家loffe就已經提出了利用半導體材料來進行熱電材料的制造。熱電材料質量的好壞決定因素是無量綱優值，用于溫差發電的熱電材料，其電導率不僅要高，而且還要有較低的熱導率。目前用于溫差發電的熱電新材料，主要包括有梯度材料、復合材料以及量子阱結構的熱電材料等。[2]

（二）熱電裝換元件

單個的熱電轉換元器件產生的功率是非常小的，需要通過串聯或者并聯的方式才能夠實現產品的標準、系列化功率。在這一方面美國Hi-Z公司已經研制了可以用于汽車余熱轉換的熱電模板，它是由七十一對碲化鉍熱電偶連接起來的一塊熱電轉換模板，它被固定在一個被叫做“蛋架”的框架結構上，改熱電模板的轉換溫差可以達到兩百攝氏度，可以輸出2.38V/19W的電流。目前，美國Hi-Z公司已經研制出了四種不同規格的熱電模板，并且已經形成了一個系列模塊，熱電功率可以達到十九瓦左右。[3]

（三）結構形式分析

溫差發電設備的結構形式與它的熱源特征以及散熱方式和熱能分布情況有著重要的聯系，并且還與發電設備的熱電偶性能、排列情況有著不可分割的關系。目前，溫差發電設備的結構形式主要有兩種，一種是平板式，另一種是圓桶式。平板式的溫差發電設備是將熱電轉換元器件平鋪在矩形的排氣通道上，形成一個與太陽能電池陣相似的熱電偶陣。圓桶式的溫差發電設備是將熱電元器件鋪設成一個圓桶狀，該結構形式一般用于比較大型的裝置結構上。[4]

三、仿真模型

如下圖1所示，模型分為兩個部分，一個是流體域，另一個是固體域。中心線的旋轉軸為四十五度，每旋轉四十五度為一個周期，旋轉三百六十度之后就形成了一個周期性網格。以此來對溫差發電設備間熱端模型的劃分，劃分的網格數目大概有一百七十三萬左右，利用ANSYS Fluent進行TEG裝置流固耦合傳熱計算，以流量和壓力這兩個邊界來對模型的進口以及熱端和流道的表面邊界條件進行設置。

圖1 模型網格劃分圖

四、結束語

目前，我國已經對溫差發電技術引起了關注，并且已經有了相關的科研機構對半導體溫差發電技術的研究，并且已經有了一定的研究成果。但是，目前溫差發電的效率還是比較低的水平，并且相關的技術也都是來至對國外研究成果的借鑒，在理念上缺乏一定的新意。與此同時，在相關行業中幾乎沒有溫差發電技術的實際應用，很多研究成果都還只是停留在理論基礎之上。本文所介紹的熱電轉換組件就是半導體制作而成的，并且使用過程中，溫度不能高于兩百攝氏度，這使得產品的性能受到嚴重的制約。因此，找尋高效能的溫差轉換材料是我國未來的發展目標。