温差发电技术及其在汽车发动机排气余热利用中的应用探讨1.docxVIP

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温差发电技术及其在汽车发动机排气余热利用中的应用探讨

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摘要：汽车工业是我国国民经济的支柱产业之一。随着我国汽车工业的发展，车辆消耗的能源与日俱增，车辆的节能也越来越受关注。然而以现有的内燃机指标评估，燃油中60%左右的能量没有得到有效利用，绝大部分以余热的形式排放到大气中，造成了巨大的经济损失和严重的环境污染。因此利用发动机余热发电是一个很好的节能途径。由于汽车的结构紧凑、发动机排气量小，车用发动机余热的利用相对于大型工业设备余热回收来说难度更大。20世纪70年代以来一些工业发达国家的学者提出了采用温差发电技术来解决上述问题。温差发电技术依据热电直接转换原理，具有结构简单、无运动部件、无噪声等特点，在低品位热能利用方面具有独特的效果，把它安装在内燃机的排气管上，能够将内燃机运行余热直接转换为电能。温差发电的研究包括了热电器件和发电器两个方面是热电学的一个重要领域。在本文中将围绕温差发电技术及其在汽车发动机排气余热中的应用开展分析，介绍应用半导体热电元件的温差发电技术的主要特点，其中包括了应用半导体材料的要求以及温差发电器的主要结构等。

关键词：温差发电；发动机；排气余热

1、热电转换材料和元件1.1热电材料热电转换器是温差发电器的基本零部件，其作用是能够将热能直接转化为电能的形式，其转换效率由热电极材料的性能与其器件制造水平共同决定。上个世纪有科学家提出了半导体热电理论，现用于温差发电的热电材料基本都属于半导体材料。判断热电材料的好坏的依据为塞贝克系数的平方和电导率的乘积和热导率的比值。被用于温差发电的材料不仅具备高塞贝克系数和电导率，还应具备较低的热导率，但这是一个难度极大的条件，所以对此种材料的寻找为目前热电学的热门研究方向。（1）热电新材料应用研究。例如稀土化合物、硒化物以及富硼固体等化合物的研究。经过研究表明，控制最佳载流子浓度或者利用固溶掺杂能够有效应对良电导以及热绝缘的问题。（2）热电材料在结构方面新的研究内容包含梯度材料、复合材料以及量子阱结构等。而热电材料剃度结构主要有材料载流子浓度梯度化以及层叠热材料结合面的梯度化。适合的梯度化结构能够让材料适应其内部温度的梯度变化，保证材料能够在温度适宜的范围内最大程度提高其转换效率。（3）热电材料制备的相关工艺，其最常见的制备方法有熔体生长法以及粉末冶金法和气相生长法。同时制备方法和制备工艺的精良程度对材料的性能产生较为直接的影响。粉末冶金方法多用于较大规模的生产，原材料利用效率高，制备的材料性能较好，因此具备广阔的发展前景。1.2热电转换

热电转换元件模块化一个热电转换期间的转换功率较低，因此应串联或者并联组合制成转换模块，以此实现产品标准化和系列化。

2、温差发电器结构2.1结构温差发电器的结构与热源热电、散热形式以及温度的变化有关，还有发电器使用的热电偶性能以及排列。当前温差发电器多以平板式和圆桶式两种。前者的热电转化模块通常会平铺于矩形通道中，其热电偶阵的形式与太阳能电池阵的形式相似，工作时其热流从通道内由壁面向转换模块传递热量。后者的表面铺设带有一定的弧度，多应用于大型的结构中。2.2冷源和热源温差发电器的冷源主要来自空气自然对流散热、水冷却散热以及环流散热等。目前热电偶臂长度大约在三毫米到十毫米之间，冷热两端的距离较小。因此，获得温差的途径之一是适宜的冷源。车辆使用的温差发电器的热源主要来自发动机排气与冷却水所带走的余热，发动机排气的温度最高可达八百度，冷却水的温度在一百度左右。2.3分区结构利用温差发电器还能让各热电模块在最适宜的温度范围内工作。因为排气管道中的热流体温度随着其不断流动随之下降。所以，顺着其流动的方向可以把通道划分为几个温度区域，根据其区域内的温度放置与之对应的热电模块，保证其在适合的温度下工作，进而得到最大的转换效率以及输出的功率。

3、车辆发动机余热的温差发电分析最近几年，车辆发动机余热温差发电技术发展十分迅猛，我国的有关机构以及科研院所都发布了相关的研究成果。美国技术公司在上世纪末期发布了1.5千瓦温差发电器的研究文章。之后又进行载重车柴油机排气余热温差的研究。其实验温差发电器的输出功率随着温度的变化，实验结论为温差越大输出功率随之提高，温差偶臂的长度越短其温差和输出功率越大。输出功率和发动机负载的变化规律为输出功率主要收到发动机负载的影响，转速的变化对其影响较低。

4、增加发电功率与转换效率的研究研究证实，温差发电系统中的温度差值越大、热源温度越高以及材料的优值越高，温差发电器的工作效率也就越高。所以，往往有效提高温差发电器的性能就应从研发优值高的热电材料以及高工作效率的转化器着手。近几十年来，有关热电材料的研究进展较慢