汽車廢熱的轉換利用裝置設計

摘要：隨著社會經濟的發展，節能減排以及開發新能源都已經成為當前人類科學研究的重點。汽車工業需要消耗大量的能源，在現有熱電材料的限制下，要想把溫差發電技術廣泛地應用于汽車行業，那么我們就只能從結構入手提高溫差發電器的轉換效率以期望達到裝車所需要的要求。本設計就是從結構上對一種平板式溫差發電器進行研究，對溫差發電器的發電模塊的進行優化設計。

關鍵詞：廢氣余熱 溫差發電 溫差發電模塊 散熱模塊

一、緒論

從目前汽車發動機的熱平衡來看，只有30%～45%（柴油機），20%～30%（汽油機）的燃燒能量被有效地轉換為有效功，剩下的被以余熱的形式排出車外，主要包括循環冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱量。汽車余熱的利用具有鮮明的特點和特殊的要求，簡單歸納如下：（1）汽車余熱的品位低，能量回收較困難；（2）余熱利用裝置要求簡單，體積小，重量輕，效率高；（3）不能影響發動機工作特性，不能降低發動機動力性和經濟性。

二、溫差發電的基本原理及在汽車上的應用

（一）溫差發電的基本理論框架

溫差發電是兩種不同材料的導體，在它們所構成的回路中，如果在兩個接觸點位置出現溫度（T1和T2）不同的情況下，那么在A，B所構成的回路中就會產生電動勢。上述現象最早是由德國物理學家塞貝克發現的，所以人們把它叫做塞貝克效應，它的出現為溫差發電技術的研究奠定了堅實的理論基礎。在一般情況下塞貝克系數的值都是很小的，所以它的常用單位是V/K，從塞貝克效應的定義中可以得出塞貝克系數也是分正負的。所以導體A和B的熱電特性決定塞貝克系數的數值及正負，溫差的大小和方向與塞貝克系數的數值及正負沒有任何關系。

（二）汽車上的溫差發電技術

溫差發電技術的主要問題表現在以下的兩個方面：

一是由于沒有充分地利用熱源與冷源所導致傳熱不合理。在當下的傳統的溫差發電裝置僅僅利用了絕少一部分余熱與裝置內表面之間的傳熱量，其余大部分能量仍然沒有得到利用，使得現有的溫差發電裝。二是通道的結構不合理，功率密度比較低。采用比較先進的HZ一14模塊平面排列，那么需要表面積為0.283才能輸出1KW的功率。所以溫差發電裝置的功率和體積比也就僅僅是相當于其功率置的熱效率低下。與上下表面積之比，可以知道如果這個比值過小的話就不會有任何意義。

（三）溫差發電的半導體材料

首先介紹，目前廣泛應用的溫差發電組件大多選擇采用的就是它了，這主要是歸結于以下優點：因為目前的應用條件大多是在低溫條件，而它又是在常溫下ZT值最高的固體塊狀溫差發電材料，在制冷器和低溫溫差發電器上都有廣泛的運用。在熱電材料沒有取得實際性進展之前，研究新的材料制備方法和工藝可能是有效改善改進材料性能的途徑。在400K到700K的中溫段溫差發電器主要采用的是PbTe。700K以上的高溫段溫差發電主要采用的是SiGe。

三、溫差發電系統的設計

（一）溫差發電器結構方案

平板式溫差發電器：由于汽車排氣管均為圓形和橢圓形，通常將排氣管設計成寬大的方形結構，可利于發電器熱端蓄熱以及溫差發電組件的布置，并且在方形管內部增加小突起結構，加大與尾氣的對流換熱，從而提高發電器熱端換熱量，兩端通過與法蘭與排氣管連接。平板式溫差發電器可以使用普通的材料散熱器作為其發電器的冷卻系統，通過與空氣的對流換熱來達到降低溫度為目的。

（二）本設計方案確定

考慮到平板式溫差發電器較其他結構形式的溫差發電器結構更為簡單，零部件少，制造工藝簡單且成本不高，后續維修方面也方便，而且在矩形的廢氣通道上便于布置溫差發電模塊，在和指導老師討論后，本設計決定采用平板式溫差發電器。

（三）通水管道的結構設計

目前，利用溫差發電器件實現汽車尾氣溫差發電的難點和關鍵在于如何最大化建立各個溫差發電器的冷熱端實際溫差，但實驗結構表明，相同條件下，冷源采用小型化設計更有利于溫差發電器件的冷面和冷源表面的接觸和散熱，能建立更大的溫差以提高溫差發電系統的系能，本文考慮上述三種不同結構冷卻源結構的復雜性能和制造成本，最終選擇了單列式的冷源結構作為冷卻水箱，即在溫差發電器的廢氣管道的每一個面的熱電模塊上都有兩塊冷卻水箱對其進行冷卻。

（四）小結

在熱電材料沒有取得突破性進展之前，對熱電裝置結構的優化研究仍然是重點，本設計雖然在溫差發電裝置的結構優化上提出了一些創新改動，但是由于條件限制，溫差發電技術設計到多個學科，對設計者的設計水平要求較高，本人知識水平非常有限可能會導致設計出現許多不足或需要改善的地方。