并联与串联连接温差发电效率研究

胡建昌　张勇　田忠

摘要： 温差发电是一种废弃能量回收利用的巧妙方法；放置于汽油机尾气排放管附近温差发电片热端温度为77℃。使用此热源进行温差发电，4块发电片并联连接发电效率为3.2W高于串联连接的1.9W；增加发电片至8片，并联与串联发电效率均增加，但是由于内阻增加发电效率增加不足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.

关键词：并联；串联；温差发电；发电效率

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

中图分类号：TQ163 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）07-0133-02

0 引言

温差发电由于具有废弃能量利用，减少能源利用带来二次污染，等优秀性质，在汽车、锅炉等实际工业应用中有着较大的发展前景。因而受到诸多能源研究学者的青睐。许艳艳[1]等通过模拟的方法研究了发电片矩形栅格增加吸收幅度，冷热端平均温差比无格栅时提高了49.33%，从而提高其能量吸收与发电效率；程富强[2]等研究了碲化铋半导体材料的温差发电特性，结果表明输出功率随热电元件截面积的增大而减小，面积比功率和能量转化效率则缓慢下降；导热基底越厚，输出功率和能量转化效率均越减小；贾磊[3]等对半导体热电材料在低温下的塞贝克系数进行了实验研究，结果表明N型半导体塞贝克系数随温度上升而减小，P型半导体塞贝克系数随温度上升而增加；Douglas[4]等针对动态变化热源设计出多模块交互回路温差发电器，将输出功率大幅度提高，terasaki[5]等首次发现 NaCo2O4单晶在室温下具有较高的塞贝克系数，这使得温差发电大规模应用变成了可能的现实。就目前情形来看，温差发电能量实际产出率较低，因此未被大规模使用，因此国内部分学者对温差发电的投入产出比进行了研究[6]，结果表明能量产出对设备资本回收周期较长。

本课题研究建立在利用汽车尾气所包含余热发电，并利用所产生电量为汽车尾气监测与减污供能，并通过实验验证能够提供足够的能量，此方法不需要在汽車上更改供能线路，对已经投入使用的汽车有更加实际的经济意义。在此基础上本文利用汽油机代替汽车发动机，电风扇代替汽车行驶中的自然风冷，对温差发电的功率进行了研究。

1 实验方法

实验采用汽油机替代汽车，并对尾气排放部分利益金属进行填充和铣磨平整，利于放置温差发电片，温差发电片厚度3mm。实验中尾气经内部冷却后在尾气排放管附近温度为85℃，室温为11℃；温差发电片放置分并排放置与2层叠加放置2种放置方法，发电片的连接有串联和并联两种方法；功率测量时间间隔为1min。经上述装置所产生电量利于万用表测出其电动势与电流，得到发电功率，并比较不同放置情况下功率随时间变化规律。

2 实验结果及分析

2.1 发电片热端温度变化规律

发电片热端温度为排气口尾气温度不经过任何处理，汽油机本身尾气排放口温度在85℃左右。如图1可见，自汽油机发动起发电片热端温度随时间推移而逐步升高；初始阶段呈近似指数曲线升高至70℃，而在70℃之后升高速率明显下降，在上升至77℃时，温度不再上升，其主要原因是发电片冷端风冷也会再一定程度上影响到热端温度，因此热端温度不能达到85℃。

2.2 4块温差发电片组合发电效率

图2为4块温差发电片并联连接与串联连接后的发电功率随汽油机使用时间的变化规律。从图2中可以看出并联连接发电功率从0开始缓慢上升，此时发电片冷热端温度均在常温；随时间推移，热端温度升高，温差拉大升，发电功率迅速提升，但是持续时间仅在26min至32min之间，在32min时功率达到最大值为4.8W。其主要原因为初始阶段冷热端温差几乎不存在，两者温度均为常温，随时间推移热端温度率先升高，在此过程中冷端温度滞后于热端温度升高，此时发电功率呈现上升趋势；到32min之后热端温度稳定，冷端温度继续升高，冷热端温差降低，因此发电功率呈现出降低趋势；当冷端温度升高到一定值时不再升高，发电功率稳定在3.2W。从图2中还可看出串联连接4块发电片后发电功率变化规律与并联相似，但其峰值明显低于并联，从电路连接上看，串联时能够提供更高的输出电压，但是其内阻叠加导致发电片内部消耗了一部分功率，输出降低，而发电片并联连接内部电阻减小，是以内阻消耗功率降低。

2.3 8块温差发电片组合发电效率

图3为8块温差发电片组合发电效率，从图3中可以看出叠加串联与并联及并排串联与并联方式放置与连接，其单个曲线变化规律与4块连接相似，均为先缓慢上升，后急剧升高，到达最大值后由于温差减小发电功率降低。分别比较2层叠加排布与并排排布印证了3.2中串联连接稳定功率低于并联连接稳定功率。比较叠加放置与并排放置可以发现并排放置发电片时最高发电功率可达7.8W，稳定时发电功率为并联7.2W、串联5.6W；叠加放置最高发电功率在3.8W左右，稳定时并联连接发电功率为2.8W、串联2.2W，叠加放置发电效率低于并排放置，其主要原因在于叠加放置以第一层冷端为第二层热端，而发电片本身厚度较小，因此放置一层与两层最里侧与最外侧温差相差不大，因此降低了第二层的发电效率。同时比较图2与图3，利用8块发电片效率相较于4块，其峰值与稳定功率均有大幅度上涨，但是涨幅不足2倍，说明发电片增加的同时发电功率上涨，但是从成本角度来说发电成本亦增加。

3 结论

①汽车尾气出口发电片热端温度先升高，升高至77℃后不再上升趋于稳定状态。②串联连接发电片发电效率低于并联连接。③单纯靠增加发电片来增加发电功率会影响其能量产出成本。④并排连接时发电效率高于叠加连接。因此在一定资金范围内需要增加发电效率，可将发电片串联连接改为并联连接。

参考文献：

[1]许艳艳，王东生，等.基于余热回收的半导体温差发电模型及数值模拟[J].节能技术，2010，28（2）：168-172.

[2]程富强，洪延姬，等.碲化铋温差发电模块构型优化设计[J].高电压技术，2014，40（5）：1599-1604.

[3]贾磊，胡芃，等.温差发电的热力过程研究及材料的塞贝克系数测定[J].中国工程科学，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，张仁元，等.钴基氧化物热电材料研究现状与展望[J].电源技术，2003，30（8）：689-692.

[6]徐立珍，李彦，等.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.