汽車發動機排氣余熱溫差發電技術的研究

涂小亮 倪計民 石秀勇

（同濟大學）

汽車發動機排氣余熱溫差發電技術的研究

涂小亮 倪計民 石秀勇

（同濟大學）

設計了一款可應用于汽車排氣系統的溫差發電熱交換裝置，其以汽車高溫排氣為熱源、冷卻循環水為冷源，在溫差發電基本原理即塞貝克效應作用下輸出電功率。分析了該發電裝置結構設計參數對熱電性能的影響，利用試驗驗證了進氣溫度與流量對其輸出性能的影響，利用仿真模擬軟件分析了汽車排氣流過熱電裝置時的溫度場和速度壓力場，提出了提高發電裝置輸出性能及效率的優化方案。

1 溫差發電原理

研究表明，目前汽車發動機的熱效率不到30%，大部分能量損失于汽車發動機的冷卻水和高溫尾氣中[1]。若將發動機尾氣廢熱進行再利用，可以進一步提高汽車的能源利用率。

溫差發電是基于溫差發電材料的塞貝克效應，實現熱能到電能的直接轉化。如圖1所示，將P型和N型2種不同類型的半導體熱電材料（P型是富空穴材料，N型是富電子材料）一端相連形成一個PN結，置于高溫熱源狀態，另一端形成低溫冷端；在熱激發作用下，P（N）型材料高溫端空穴（電子）濃度高于冷端，在這種濃度梯度驅動下，空穴和電子開始向冷端擴散，從而形成電動勢，熱電材料通過熱、冷端間的溫差完成了將高溫端輸入的熱能直接轉化成電能的過程[2]。

熱電模塊結構如圖2所示，通常在一個溫差熱電模塊中由幾十至幾百個PN結串聯而成[1]。熱電模塊的性能主要包括熱電轉換效率及其能承受的溫度范圍，不同廠家生產的熱電模塊轉換性能和耐高溫能力不盡相同，熱電模塊的生產廠家主要有Hi-Z、Furu?kawa、Komatsu等[3]。例如Komatsu公司的Bi2Te3熱電模塊，在熱端280℃、冷端30℃時，具有7.2%的熱電轉換效率，該溫差下單體模塊最大功率可達24W，能量密度為1 W/cm2[4]。目前適用于各溫度范圍的常見熱電材料如表1所示。

表1 不同溫度范圍可選擇的熱電材料

2 溫差發電裝置結構

溫差發電（TEG）裝置的作用是在其表面安裝熱電模塊和傳遞熱量，其結構取決于熱源和冷源的種類、熱電模塊的性能和冷端表面的散熱方式，目前通常有圓桶式、平板式TEG裝置等[5]。本文結合汽車排氣系統結構特點以及系統冷卻散熱方式，設計一種截面為正八邊形圓桶式TEG裝置，裝置結構示意如圖3所示。

熱端熱交換器為圓桶式正八邊形截面，高溫排氣在通過管道內部時在翅片擾流增強換熱作用下將熱量傳遞給管道內表面，再由內表面熱傳遞給管道外表面即熱端表面，與此同時，冷卻管道外表面在內部冷卻水降溫作用下作為熱電模塊的冷端，而依次平行布置在管道外表面的熱電模塊在冷、熱端的溫差作用下產生電壓對外負載輸出電能。

3 試驗設計

高溫流體流過TEG裝置時將熱量通過肋片傳遞給熱電模塊熱端，在固定裝置結構下，熱端溫度的大小取決于流過高溫氣體的溫度與流量，因此進口氣體的溫度和流量是影響TEG裝置輸出性能的重要因素。為驗證TEG裝置的進氣溫度和流量對輸出性能、熱端溫度等的影響，對TEG裝置進行臺架試驗，以進氣流量和溫度為變量，測試系統的輸出性能，試驗設計原理如圖4所示。

燃燒器（Burner）可產生可變溫度和可變流量氣體。為分析溫度和流量對結果的影響，采用控制變量法，在溫度或流量一定時分別調節排氣流量或溫度。依據汽車排氣溫度和流量大致范圍，試驗選取6組工況：進氣溫度分別為400℃、500℃、600℃時，流量調節為125 kg/h、150 kg/h、175 kg/h、200 kg/h、225 kg/h、250 kg/h、275 kg/h、300 kg/h、325 kg/h、350 kg/h、375 kg/h，以及流量在175 kg/h、225 kg/h、275 kg/h時，溫度調節為250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃。試驗冷卻水流速恒定為130 g/s，進口水溫維持在21.1℃左右。根據對稱性原理，選取8列中1列熱電模塊組作為輸出試驗電源，以接近試驗電源內阻阻值的5 Ω電阻作為負載電阻，因此試驗測得的電功率可看作一列熱電模塊組輸出的最大輸出功率。在作為試驗電源的熱電模塊列冷熱兩端分別布置6個熱電偶，用以監測試驗時熱電模塊冷熱端溫度，同時測量每一工況下冷卻水的出口溫度。

4 試驗結果

依據上述試驗設計，以熱電模塊組輸出電功率P表征TEG裝置的輸出性能。由塞貝克效應可知，熱電模塊冷熱兩端溫差大小是影響產生電壓的主要因素，因此監測各工況下冷熱端溫差及熱端溫度隨進氣溫度、流量的變化非常必要，其次測量冷卻水進出口溫度，確定并減少冷卻水熱負荷也是試驗另一主要目的。

如圖5所示，熱電模塊組的輸出功率隨進氣溫度、流量升高而增大，在進氣流量Qm325 kg/h、溫度Tin700℃時，輸出功率最大達到20.3 W。相對于進氣流量，輸出功率對進氣溫度更加敏感。與輸出功率相對應，試驗熱電模塊組的輸出電壓隨進氣溫度與流量變化情況大致相同（圖6）。由上述分析可知，進氣溫度高低是影響TEG系統輸出性能的主要因素。

熱端表面平均溫度由布置在熱端表面的6個監測熱電偶的溫度平均值計算所得，從圖7中可以看出，表面平均溫度隨入口處進氣溫度的升高而升高，在進氣溫度600℃、流量值325 kg/h時，熱端表面平均溫度最大達到220℃。由試驗結果可知，隨著進氣流量增大，流量在325 kg/h時表面平均溫度低于流量275 kg/h時表面溫度，這是因為進氣流量增大到一定值時，雖然通道內部的廢氣平均流速增加，但在通道肋片附近氣體會發生堵塞，流速降低，惡化氣體與肋片的換熱，從而使TEG裝置熱端表面溫度下降。

熱電模塊熱端表面平均溫度減去冷端表面平均溫度為冷熱端溫差，溫差大小隨進氣溫度和流量的變化如圖8所示。

從圖8可知，熱電模塊冷熱端溫差變化與熱端表面平均溫度隨進氣溫度、流量變化情況大致相同。為維持模塊兩端較大的溫差，模塊的冷端應保持較低溫度，同時降低冷卻水的熱負荷，減少冷卻水散熱所消耗的功率，所以冷卻水帶走的熱負荷量是表征TEG系統冷端性能的重要指標。冷卻水熱負荷量隨進氣溫度和流量變化如圖9所示。

由圖9可以看出，冷卻水的熱負荷隨TEG裝置進氣溫度、流量的變化情況與熱端溫度等隨進氣溫度、流量變化情況大致相同。綜合分析可知，為提高冷熱端溫差，一方面要增強高溫排氣對熱端表面的換熱，提高熱端表面溫度；另一方面要減少熱端對冷端的傳熱和冷卻水的熱負荷，降低冷端表面溫度。

5 仿真模擬

為模擬TEG裝置內流體速度場以及TEG裝置流體和熱端溫度分布情況，使用三維CFD仿真軟件對TEG裝置進行傳熱計算，分析流場及溫度場的分布，提出TEG裝置的結構改進方案。

因TEG裝置的結構尺寸較大，為簡化仿真計算，對稱選取TEG裝置的1/8部分計算，模型網格劃分如圖10所示。

模型分為流體域和固體域兩部分，設置以中心線為旋轉軸，45°為一個旋轉周期，旋轉360°的周期性網格，這樣就完成了整個TEG熱端模型的網格劃分，網格數目在173萬左右。利用ANSYS Fluent進行TEG裝置流固耦合傳熱計算，以流量邊界和壓力邊界分別設置模型的進出口以及熱端表面和流道表面的熱邊界條件，計算結果如圖11和圖12所示。

由圖11可以看出，在模型上表面即TEG裝置的熱端表面，溫度由內向外逐漸降低，表面溫度最高點在表面大約2/3處；流體域入口初段存在一個低溫區，導致熱端前表面溫度較低，此區域是需要改進的流體域。

如圖12所示，在模型的速度場中，在流體域前半部分存在一個低速區域，由傳熱學分析可知，低速區域是導致相應區域低溫的原因，也是需要改進的區域；另外，在流體域和固體域交界前半部分有明顯回流，回流會導致溫度降低，弱化此部分換熱；因為流速提高能增強流體與固體間換熱，所以提高流體域肋片部分流體的總體速度也是改進TEG裝置需要考慮的因素。

Research on Thermoelectric Power Generation Technology Utilizing Automobile Engine Exhaust Heat

Tu Xiaoliang Ni Jimin Shi Xiuyong
（Tongji University）

In this research,a thermoelectric power generation device which uses exhaust gas of vehicle engine as hot source and circulated cooling water as cold source is designed,this device outputs electric power under the thermoelectric effect power generation theory,i.e.the Seebeck Effect.The effect of design parameters of this device structure on thermoelectric performance is analyzed,and the influence of temperature and flow rate of intake gas on the output performance of TEG device is verified through experiments.The paper also uses simulation software to analyze temperature field and velocity pressure field when automobile exhaust gas flows through this device and proposes ways to improve the output performance and efficiency of TEG device.

Exhaust system,Thermoelectricity power generation,Intake air temperature, Intake air flow,Output performance

排氣系統 溫差發電 進氣溫度 進氣流量 輸出性能

U464.134

A

1000-3703（2015）04-0022-04