并聯與串聯連接溫差發電效率研究

胡建昌　張勇　田忠

摘要： 溫差發電是一種廢棄能量回收利用的巧妙方法；放置于汽油機尾氣排放管附近溫差發電片熱端溫度為77℃。使用此熱源進行溫差發電，4塊發電片并聯連接發電效率為3.2W高于串聯連接的1.9W；增加發電片至8片，并聯與串聯發電效率均增加，但是由于內阻增加發電效率增加不足2倍。

Abstract： Temperaturegeneration is a kind of recovery way of waste energy， gasoline engine exhaust pipe temperature is 77℃. The generation efficiency is 3.2W of the 4 piece power parallel connection of the temperaturegeneration by this heat source， it is higher than 1.9W of series connection. When the power generation is increased to 8 pieces， parallel and serial power generation efficiency will also increase， but because of the increasing of internal resistance， the generation efficiency is less than 2 times.

關鍵詞：并聯；串聯；溫差發電；發電效率

Key words： parallel；series；temperaturegeneration；power generation efficiency

中圖分類號：TQ163 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）07-0133-02

0 引言

溫差發電由于具有廢棄能量利用，減少能源利用帶來二次污染，等優秀性質，在汽車、鍋爐等實際工業應用中有著較大的發展前景。因而受到諸多能源研究學者的青睞。許艷艷[1]等通過模擬的方法研究了發電片矩形柵格增加吸收幅度，冷熱端平均溫差比無格柵時提高了49.33%，從而提高其能量吸收與發電效率；程富強[2]等研究了碲化鉍半導體材料的溫差發電特性，結果表明輸出功率隨熱電元件截面積的增大而減小，面積比功率和能量轉化效率則緩慢下降；導熱基底越厚，輸出功率和能量轉化效率均越減小；賈磊[3]等對半導體熱電材料在低溫下的塞貝克系數進行了實驗研究，結果表明N型半導體塞貝克系數隨溫度上升而減小，P型半導體塞貝克系數隨溫度上升而增加；Douglas[4]等針對動態變化熱源設計出多模塊交互回路溫差發電器，將輸出功率大幅度提高，terasaki[5]等首次發現 NaCo2O4單晶在室溫下具有較高的塞貝克系數，這使得溫差發電大規模應用變成了可能的現實。就目前情形來看，溫差發電能量實際產出率較低，因此未被大規模使用，因此國內部分學者對溫差發電的投入產出比進行了研究[6]，結果表明能量產出對設備資本回收周期較長。

本課題研究建立在利用汽車尾氣所包含余熱發電，并利用所產生電量為汽車尾氣監測與減污供能，并通過實驗驗證能夠提供足夠的能量，此方法不需要在汽車上更改供能線路，對已經投入使用的汽車有更加實際的經濟意義。在此基礎上本文利用汽油機代替汽車發動機，電風扇代替汽車行駛中的自然風冷，對溫差發電的功率進行了研究。

1 實驗方法

實驗采用汽油機替代汽車，并對尾氣排放部分利益金屬進行填充和銑磨平整，利于放置溫差發電片，溫差發電片厚度3mm。實驗中尾氣經內部冷卻后在尾氣排放管附近溫度為85℃，室溫為11℃；溫差發電片放置分并排放置與2層疊加放置2種放置方法，發電片的連接有串聯和并聯兩種方法；功率測量時間間隔為1min。經上述裝置所產生電量利于萬用表測出其電動勢與電流，得到發電功率，并比較不同放置情況下功率隨時間變化規律。

2 實驗結果及分析

2.1 發電片熱端溫度變化規律

發電片熱端溫度為排氣口尾氣溫度不經過任何處理，汽油機本身尾氣排放口溫度在85℃左右。如圖1可見，自汽油機發動起發電片熱端溫度隨時間推移而逐步升高；初始階段呈近似指數曲線升高至70℃，而在70℃之后升高速率明顯下降，在上升至77℃時，溫度不再上升，其主要原因是發電片冷端風冷也會再一定程度上影響到熱端溫度，因此熱端溫度不能達到85℃。

2.2 4塊溫差發電片組合發電效率

圖2為4塊溫差發電片并聯連接與串聯連接后的發電功率隨汽油機使用時間的變化規律。從圖2中可以看出并聯連接發電功率從0開始緩慢上升，此時發電片冷熱端溫度均在常溫；隨時間推移，熱端溫度升高，溫差拉大升，發電功率迅速提升，但是持續時間僅在26min至32min之間，在32min時功率達到最大值為4.8W。其主要原因為初始階段冷熱端溫差幾乎不存在，兩者溫度均為常溫，隨時間推移熱端溫度率先升高，在此過程中冷端溫度滯后于熱端溫度升高，此時發電功率呈現上升趨勢；到32min之后熱端溫度穩定，冷端溫度繼續升高，冷熱端溫差降低，因此發電功率呈現出降低趨勢；當冷端溫度升高到一定值時不再升高，發電功率穩定在3.2W。從圖2中還可看出串聯連接4塊發電片后發電功率變化規律與并聯相似，但其峰值明顯低于并聯，從電路連接上看，串聯時能夠提供更高的輸出電壓，但是其內阻疊加導致發電片內部消耗了一部分功率，輸出降低，而發電片并聯連接內部電阻減小，是以內阻消耗功率降低。

2.3 8塊溫差發電片組合發電效率

圖3為8塊溫差發電片組合發電效率，從圖3中可以看出疊加串聯與并聯及并排串聯與并聯方式放置與連接，其單個曲線變化規律與4塊連接相似，均為先緩慢上升，后急劇升高，到達最大值后由于溫差減小發電功率降低。分別比較2層疊加排布與并排排布印證了3.2中串聯連接穩定功率低于并聯連接穩定功率。比較疊加放置與并排放置可以發現并排放置發電片時最高發電功率可達7.8W，穩定時發電功率為并聯7.2W、串聯5.6W；疊加放置最高發電功率在3.8W左右，穩定時并聯連接發電功率為2.8W、串聯2.2W，疊加放置發電效率低于并排放置，其主要原因在于疊加放置以第一層冷端為第二層熱端，而發電片本身厚度較小，因此放置一層與兩層最里側與最外側溫差相差不大，因此降低了第二層的發電效率。同時比較圖2與圖3，利用8塊發電片效率相較于4塊，其峰值與穩定功率均有大幅度上漲，但是漲幅不足2倍，說明發電片增加的同時發電功率上漲，但是從成本角度來說發電成本亦增加。

3 結論

①汽車尾氣出口發電片熱端溫度先升高，升高至77℃后不再上升趨于穩定狀態。②串聯連接發電片發電效率低于并聯連接。③單純靠增加發電片來增加發電功率會影響其能量產出成本。④并排連接時發電效率高于疊加連接。因此在一定資金范圍內需要增加發電效率，可將發電片串聯連接改為并聯連接。

參考文獻：

[1]許艷艷，王東生，等.基于余熱回收的半導體溫差發電模型及數值模擬[J].節能技術，2010，28（2）：168-172.

[2]程富強，洪延姬，等.碲化鉍溫差發電模塊構型優化設計[J].高電壓技術，2014，40（5）：1599-1604.

[3]賈磊，胡芃，等.溫差發電的熱力過程研究及材料的塞貝克系數測定[J].中國工程科學，2005，7（12）：31-34.

[4]CRANT D T，BELL L E.Design to maximaze performance of a thermoelectric power generator with a dynamic thermal power source[J].journal of energy resource technology，2009，131（1）：1-8.

[5]李瑜煜，張仁元，等.鈷基氧化物熱電材料研究現狀與展望[J].電源技術，2003，30（8）：689-692.

[6]徐立珍，李彥，等.汽車尾氣溫差發電的實驗研究[J].清華大學學報，2010，50（2）：287-289.