精簡式汽車尾氣溫差發電系統

王黎明　羅文　李博文　李宗林

摘? 要：近年來車輛的數目日益增多，尾氣廢熱的排放量越來越多。我們經過查閱資料，發現溫差發電在新型廢熱回收技術具有高度潛力。基于此技術，我們設計了可以將汽車行駛過程中尾氣管上的熱能直接轉換為可利用的電能的系統。將半導體溫差發電器件的熱端固定在汽車排氣管外壁上，器件高溫側就會向低溫側傳導熱能并產生熱流，熱能在器件內變成電能，輸出直流電壓和電流通過并聯多個這樣的器件便可獲得較大的電流輸出，達到發電目的。

關鍵詞：溫差發電;壓縮氣體;風冷散熱;穩壓;升壓

1.研究背景

截止2016年末，我國民用汽車的保有量為19440萬輛，并在以年增長率超過17%增長，中國已然成為名副其實的車輛大國。隨著中國汽車數量的增加，車輛消耗的能源與日俱增，車輛的節能也越來越受關注。在國內，汽車的供能方式有汽油、天然氣和電力等。但由于天然氣供能的不穩定以及電動汽車電能的存儲量等問題，使得汽油供能仍為首選。現在我國是世界上第二大石油消費國，同時也是石油和其他液體燃料的第一大凈進口國。我國的石油價格一直據高不下。因此，我們除了尋找能替代石油的新型能源外，提高其利用率乃是重中之重。然而，以現有的內燃機指標評估，燃油中60%左右的能量沒有得到有效利用，在汽車供能時會有一大部分以熱的形式浪費。其中絕大部分以余熱的形式直接排放到大氣中，造成了巨大的經濟損失和嚴重的環境污染。因此，利用一級尾氣排放管余熱發電是一個很好的節能途徑。通過我們設計制作的精簡式汽車尾氣溫差發電系統可以收集余熱轉換成電能，減少原有供電系統的消耗，從而達到節約能源的目的。

2.設計原理

2.1 設計思路

在汽車尾氣排放管道上尋找合適的位置放置溫差發電片，將發電片熱端固定在排氣管道上，冷端加上散熱片以及小型的通風管道（利用車行駛時產生的氣流）進行散熱，使發電片兩端溫差盡可能增大，同時并聯多片發電片使其能量充分利用，并利用穩壓芯片使其輸出較為穩定的電壓，將產生的電能收集起來，減少汽車燃油在汽車發電上消耗的能量，以達到節能的目的。

2.2 研究方法

①汽車尾氣排放管溫度的測量：

由實地測量數據得，汽車三級尾氣排放管道外壁溫度為90度左右，不滿足設計所需溫度，而二級尾氣排外管道外壁不便于溫差發電裝置的安裝。在汽車行駛時，一級尾氣排放管道外壁溫度在100度到200度，且利用裝置設置，符合設計要求。

②電壓電流與溫差變化的關系：

由于在汽車上實測不太方便且消耗較大，我們前期先在實驗室模擬汽車行駛時的環境進行溫差的產生的開路電壓與發電電流的初步測量。

I實驗設備：

溫差片一片，散熱片四片，紅外測溫儀，穩壓模塊，升壓模塊，萬用表，導熱硅脂，電吹風兩個，酒精燈，鐵片一塊，電阻若干，LED小燈，導線若干。

II實驗步驟：

⑴將溫差發電片通過導熱硅脂固定在鐵片上，然后點燃酒精燈對鐵片進行加熱，同時使用吹風機對散熱片吹風，用紅外測溫儀測量鐵皮表面溫度，到達一定溫度測量開路電壓（通過移動酒精燈與鐵皮之間的距離調控溫度），并進行記錄。

⑵接上電阻，當鐵皮溫度到達步驟⑴記錄的數值時，測量電阻兩端的電壓，并計算其電流大小。

⑶撤去吹風機，加熱一定時間后測溫差發電片熱端和冷端的溫度差，發現溫差基本在50℃左右，發電電壓約為3.0V，用一個吹風機低檔位吹散熱片，溫差在70℃左右，換用高檔位溫差可以升到90℃，換用兩個吹風機，溫差能達到100℃以上。

3. 創新特色

在汽車行駛過程中，精簡式汽車尾氣溫差發電系統可以利用塞貝克效應（指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象）將發動機產生的熱能直接轉換為可利用的電能。

將半導體溫差發電器件的熱端粘到汽車排氣管外壁，使其維持高溫，冷端與散熱片相連接，這樣器件高溫側就會向低溫側傳導熱能并產生熱流。即熱能從高溫側流入器件內，通過器件將熱能從低溫側排出時，流入器件的一部分熱能不放熱，并在器件內變成電能，輸出直流電壓和電流。通過并聯多個這樣的器件便可獲得較大的電流。

冷熱端溫差是影響半導體溫差發電器件性能的最大因素。為了使溫差發電片冷端溫度更低，獲取更大的溫差，以便獲得更高的輸出功率，我們在冷端散熱方面考慮了水冷和風冷兩種方式。

4.應用前景

近年來，我國在經濟飛躍的同時，汽車行業也有了飛速的發展。但與此同時，汽車使用量越大，導致汽車排放尾氣增大、能源減少，一系列資源以及環境問題浮出水面。人們致力于研究節省燃油以及降低污染和排放成為汽車行業發展的一大關鍵問題。本精簡式溫差發電系統是一種可以將汽車一級尾氣的熱能轉換為電能的裝置，可以提高燃油的利用率，具有較強的應用前景和廣闊的市場空間。利用汽車尾氣廢熱進行溫差發電的系統已經成為各大企業、高校以及其研究機構的關注熱點，該裝置能夠使汽車排放的尾氣內的廢熱以電能形式釋放。在此過程中，可以有效地提高內燃機對燃料燃燒能量的利用率，提升汽車的燃油利用率，具有很好的應用前景和重要的社會價值。

目前熱電轉換模塊的成本有所下降，并且可利用的中低溫余熱資源十分豐富，且成本非常低，這就使得溫差發電在某些方面可以和目前有的傳統的發電方式進行商業競爭。

本裝置對傳統溫差發電系統的改進對溫差發電系統應用于汽車上有著很大意義，相對于傳統溫差發電系統的笨重、發電效率低，本新型發電系統占地面積小、體積小，同時一定程度提升了溫差發電熱電轉化效率。對傳統意義的溫差發電系統進行了改進之后，溫差發電系統可以方便的安裝到汽車第一級尾氣排放附近，這樣大大有利于尾氣熱量的吸收，進而使溫差更大，提高了發電效率。