蓄電式汽車尾氣溫差發電數碼設備供電系統

鄒治風+++劉帥+++吳嘉坤+++齊明洋

摘 要：汽車尾氣溫差發電系統，是利用汽車尾氣的余熱發電的一種節能環保型發電設備。系統主要由三個組成模塊：溫差發電模塊、控制模塊、電能輸出模塊。溫差發電模塊是以溫差發電片為核心，利用汽車尾氣余熱產生電能的熱電轉換模塊，產生的電能一部分儲存在蓄電池里，一部分直接輸出，給外界數碼設備直接供電；控制部分主要實現限流，欠壓保護功能，保證設備的工作正常；電能輸出模塊則完成電能的直流穩壓輸出。

關鍵詞：溫差發電片；賽貝克效應；半導體；穩壓模塊

引言

現今，資源短缺成為了全球范圍內重點關注的問題。據相關人員測算，地球上的煤炭資源、天然氣、石油可供人們開采的時間分別不到100～150年、50～60年、30～40年，然而人們依賴的石油資源可供穩定開采時間不到30年。為了推廣節能減排的綠色出行方式，研制了一套蓄電式汽車尾氣溫差發電及供電系統，用來回收汽車尾氣中的廢棄能量。一般來說，汽車的尾氣溫度最高可以達到600℃～700℃，怠速時也可以達到400℃，因此足夠為溫差發電裝置提供熱源。

1 溫差發電的基本原理

溫差發電主要利用的是塞貝克效應。在半導體中，熱端的載流子向冷端擴散的過程就產生賽貝克效應。以下用P型半導體進行闡釋，在開路狀態下，熱端濃度高的空穴向溫度低的冷端擴散，因此在P型半導體兩端上形成空間電荷和導體內部的壘勢。通常來說，賽貝克系數為負時，指的是溫差電動勢方式向總半導體的低溫端指向高溫端，相反賽貝克系數為正。可見，在有溫度差的半導體中存在電場，因此這時半導體的能帶是傾斜的，并且其中的Fermi能級也是傾斜的；兩端Fermi能級的差就等于溫差電動勢。

2 系統主要構成圖及其組成模塊功能簡介

2.1 系統基本構成

系統的主要模塊構建如圖1所示。汽車在行駛時汽車的排氣管排出的高溫氣體作為熱源給安裝在排氣管部位的圓筒式溫差發電模塊供熱，而水循環冷卻系統，利用水的良好的導熱性，給發電模塊的另一面降溫，從而產生溫差。發電模塊在一定的溫差下，產生的電能運轉到控制模塊中，經限流、欠壓保護，再轉送到電流輸出模塊，或直接給外界數碼設備充電或將剩余的電能儲存在蓄電池中。

2.2 主要模塊功能簡介

2.2.1 溫差發電模塊

將N型與P型半導體一端置于高溫處，一端置于低溫含處，就可以獲得溫差電動勢：ES=α？駐T，式中α為賽貝克系數，單位為V/K，由材料本身的電子結構決定。在本裝置中，采用的溫差發電片穩定工作時的熱端溫度耐壓值達到200℃，為裝置提供80℃～120℃的溫差時，溫差發電模塊能產生4.8～6V的電壓。

2.2.2 控制模塊

為了有效地保護電路，使電源能穩定地工作，設計了欠壓、限流保護電路。控制電路的功能是當溫差發電模塊的輸出電壓低于4.2V或負載電流高于0.1A時，溫差發電模塊就直接停止對外供電，轉由電量穩定的蓄電池對外供電。

2.2.3 穩壓模塊

在當今的數碼設備中，絕大部分的數碼設備充電時要求是5V直流電壓與1A左右的電流。然而當汽車尾氣溫度波動時，產生的電壓即在4.25～5.65之間波動。這就要求所選用輸入為4.2～7V的DC-DC穩壓模塊，當溫差發電模塊產生的電壓波動時，穩壓模塊也能輸出5V（電壓精度±2.5%）的電壓、與2A的最大電流。

3 系統檢測結果

實驗過程中采用溫度在420～550℃之間的酒精爐代替溫度在 450～600℃之間的汽車尾氣進行測試。測試對象將選用兩臺常用手機NOKIA N82和MOTO V8及一臺iPodMP3來測試系統。實驗結果如表1所示：

4 結束語

在21世界這個以綠色環保為主導的時代，溫差發電的規模必將越來越大，但是因溫差發電受環境因素影響十分大，各種溫差發電系統的穩定性都會對用電電器造成影響，甚至造成電器失效，而且溫差發電效率不高，這些都是制約當今溫差發電規模的重要因素，也是當今急需解決的問題。但是這些不會阻止溫差發電技術發展的腳步，它的發展范圍一定會越來越廣。

參考文獻

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[3]陳杰，李佳洪，鄧方，等.一種帶有柔性太陽能電池的球形探測器[P].發明專利，2013107521541.

作者簡介：鄒治風，吉林農業科技學院電氣工程及其自動化系學生。

劉帥，吉林農業科技學院電氣工程及其自動化系學生。

吳嘉坤，吉林農業科技學院電氣工程及其自動化系學生。

*通訊作者：齊明洋，男，碩士，助教，吉林農業科技學院教師，研究方向：新能源與智能控制技術。