汽车发动机余热温差发电

汽车发动机余热温差发电摘要：随社会现代化的发展，能源紧缺现象日趋严重，车辆消耗的能源与日俱增，为提高汽车燃油效率以优化能源利用和保护环境，提出利用汽车尾气余热进行温差发电。设想可以将纳米技术应用到此技术中，应该能提高利用率，减少能源浪费。重点介绍温差发电基本原理及采用半导体热电元件的温差发电，包括对半导体材料的要求。对热电转换材料性能特点及研究发展做了简单介绍。关键词：温差发电；热电转换材料；塞贝克效应；应用引言：以现有内燃机指标评估，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，这部分废气温度约在900K～1100K[1]，造成经济损失和环境污染。因此，基于塞贝克效应的理论，将温差发电器安装在汽车内燃机的排气管上，能将内燃机运行时排出的余热直接转化成电能，实现最大限度的挖掘现有能源，带来可观的经济效益。还可以降低温度使排气压力减少有助于汽车噪声电平下降。从目前研究成果来看，此技术存在着效率低、成本高、结构不紧密等缺点还未能应用到实际当中。但由于热电器件的系列优点，如无移动部件、无工作噪声、无污染、无震颤等使得热电材料与器件在此技术上得到了大力研究。1温差发电1.1温差发电原理温差发电是利用两种连接起来的半导体的塞贝克效应，将热能转化成电能的一种技术。半导体温差发电的原理如图1，它由P、N两种类型不同的半导体温差电材料经电导率较高的导流片串联并将导流片固定于陶瓷片上而成。在器件的两端建立一个温差,使器件高温端保持T2，低温端保持T1，根据塞贝克效应，这样器件高温侧就会向低温侧传导热能并产生热流，即热能从高温侧流入器件内，通过器件将热能从低温侧排出时，流入器件的一部分热能不放热，并在器件内变成电能，将产生一个电压，若在回路中接入负载电阻，则将有电流流过。通过连接多个这样的器件串联便可获得较大的电压。图1温差发电原理图半导体分为两型：一种为n型，里面有自由电子；一种叫p型，里面有空穴，即是缺少一个电子的原子。用两型半导体组成温差电偶，当半导体两端温度不同时，n型半导体的自由电子就从热端向冷端移动，造成冷端带负电而热端带正电，产生从热端向冷端电位差；p型半导体的空穴，却造成冷端带正电，热端带负电，产生从冷端向热端的电位差。因而p型与n型半导体的冷端间的温差电势恰是这两个电位差的和。而且，半导体的自由电子或空穴数目是随温度增加的[2]。1.1.1塞贝尔效应塞贝克（Seeback）效应是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引塞贝克效应图示起两种物质间的电压差的热电现象（如图）当装置一端处于高温状态，另一端处于低温状态，就会在回路中产生电动势ΔE=SABΔT,式中ΔT为两接触点的温差,T1、T2分别为低高温端温度，SAB为相对塞贝克系数（V/K）。SAB=SA-SBΔT=(T2-T1)T2热电动势=ΔET1AT2T1B→ISeebeck电压ΔE与热冷两端的温度差ΔT成正比，由于半导体具备优异的热电性能，因而成为制作塞贝克效应模块的首选材料。另外，决定一种半导体热电材料的优劣不能仅凭其塞贝克参数的大小，还必须综合考虑其电导率，热导率等众多因素。1.1.1.1温差发电在汽车尾气余热发电方面的应用具体实施方法：利用汽车尾气余热温差发电器，属于可再生能源技术领域，该装置包括集热器、温差发电片、冷却水箱。（图2为温差发电原理示意图）。该装置的连接是集热器的表面装有至少一个温差发电片，每个温差发电片的热端与集热器的侧面相连，每个温差发电片的冷端与冷却水箱相接，以获得较大的温差。采用集热器进行尾气余热集热，为温差发电片提供高温度，用冷却水箱为温差发电片的冷端进行散热，散热效果好，散热不受外界温度、季节变化的影响，能使温差发电片的冷端温度保持恒定，温差发电片工作稳定，结构简单，成本低，使用方便，性能稳定，产能效率高。将此装置安装在汽车发动机排气管上，可以得到较大的转换率和输出功率(图3为影响输出功率的主要因素)。图3影响温差发电输出功率主要因素图图中可见冷热端温差越大，输出功率越大，因此，实际应用中尽可能提高冷热端温度差来加大输出功率。2热电转换材料和元件2.2热电材料的性能指标热电转换器件是温差发电器的基本元件,它的功能是将热能直接转换为电能,效率取决于热电极材料的性能和器件的设计制造水平。用于温差发电的热电材料都是半导体材料,如用于低温(300℃以下)热电材料Bi2Te3及其固溶体合金、中温(300℃～600℃)热电材料PbTe2SnTe、高温(600℃～1000℃)热电材料SiGe、MnTe、SiRe2、CeS等[3]。衡量热电材料优劣的指标为“优值”Z.Z=α2σ/λ(式中α为塞贝克系数,σ为电导率,λ为热导率,Z的量纲为K-1)。也常使用ZT值(称为无量纲优值,T为绝对温度)。能够用于温差发电的材料既要有较高的α、σ值又要有较低的λ值,因而,要提高高优值的热电材料的研究。将热电转换材料所产生的电能可以直接充入蓄电池或被其它电器所利用(如图4)图4.热电转换电池组与蓄电池连接图2.2.2提高材料优值的途径提升热电材料ZT值的方法一般有两种，一为提高其功率因子(S2σ)，或降低其热传导系数(λ)。影响功率因子的物理机制包括散射参数、能态密度、载子移动度及费米能级等四项。前三项一般被认为是材料的本质性质，只能依靠更好更纯的样品来改进，而实验上能控制功率因子的物理量为通过改变掺杂浓度来调整费米能级以达到最大的S2σ值。2.2.2.2热电材料的研究目前热电材料的研究主要集中在改进材料的微观结构，例如结构纳米化[4]，通过纳米技术在热电材料中渗入纳米尺寸的杂质相制备纳米复合结构热电材料（杂质相可为绝缘体，半导体或金属，也可为纳米尺寸的空洞）。通过调整或控制掺入杂质的成分结构和大小得到纳米级的新相，提高材料的ZT值。3温差发电可行性由文献数据可知，汽车发动机排气所带走的热量占所消耗燃料产生热量的40％，残余废气温度在800℃左右，轻型车废气温度达700℃，废气流速达20g／s，重型车废气温度512℃，废气流速30g／s，利用温差发电能得到5～6kw电能。这充分说明排气余热的温差发电具有可行性，只是转化率和效率不够理想只需在一种热电材料中掺杂1％的稀土元素铈或镱，就可将这种热电材料的转换效率提高25％[5].4结论温差发电器用于车用发动机的余热利用具有广泛的应用前景，并且温差发电系统的温差越大、热源温度越高、材料优值越高，发电器的效率就越高[6]。目前存在着效率低，成本高，结构不紧凑等问题，因此，提高温差发电器性能的方向是开发高优值的热电材料和高效的转换器结构。热电材料的开发使用，可通过无污染的热电转换效应利用废弃热能获取电能供生产生活用电。现时代世界范围内对热电系统的研究主要集中在半导体，它集成了纳米科技，晶体化学，热科学和能源科学等内容。如今，日美欧等先进国家已经普遍重视，而我国还处于初步研究阶段，离国际先进水平还有较大差距，因此，要加大这方面的研究。参考文献[1]刘忠宝，王浚.发动机排气取热换热器动态特性分析[J].辽宁工程技术大学学报，2003（5）：559－661.[2]董桂田.汽车发动机排气废热的温差发电［J］.北京节能1997（4）:7-9.[3]徐立珍,李彦,杨知,陈昌和.汽车尾气温差发电的实验研究[J].清华大学学报，2010，50（2）：287-289.[4]刘洪阳，刘万钊，贺强，杨晓光，赵力.发动机排气管余热发电研究[J].长春理工大学学报，2007,30（3）：70-73[5]张征,曾美琴,司广树.温差发电技术及其在汽车发动机排气余热利用中的应用[J].能源技术,2004,25(3):25-29.[6]朱敏.功能材料[M].北京机械工业出版社，2002,4：132-13360-70