汽车废气热能发电的系统设计

张云飞 唐小雯 秦雨晨 任艳珍

摘要：利用热电材料直接将热能转化为电能的发电技术，设计一个能量转化系统，具有无运动部件、体积小、重量轻和可靠性高等特点，是绿色环保的发电蓄能系统。

关键词：节能环保；热电转换；汽车废气热能

一、项目依据及意义

据现有的资料显示，汽车发动机排气所带走的热量占总热量的40%，当中前排气管达300-400℃，很显然废气中蕴含很大的能量而且没有很好地被利用，造成能量白白流失。同时，我们也注意到在日益追求人性化的汽车上，所使用的电气设备日益增多，间接或直接加重燃油的消耗，对环境造成进一步的污染。为此，我们将设计一种热能发电系统，由排气管中的热能来发电蓄能，供车载电器使用，实现能源的二次利用。

二、项目设计思路

汽车废气热能发电系统的设计思路：利用热电模块，一种根据温差来产生电能的材料，安装在汽车的排气歧管和前排气管上，热电模块一面依附在管的表面上，另外一面至于空气当中，由此温差产生的电能存储蓄电池上，用来驱动半导体电子制冷车载冰箱工作。系统分为两个环节：第一是废气的热能发电；第二是运用已蓄的电驱动冰箱的工作。以此充分利用废气的热能，达到废气再利用。

三、设计总体方案

（一）热电模块发电的原理

热电模块发电是利用材料的Seebeck效应，通过载流子（电子和空穴）进行能量的输送。将两种不同类型的热电转换材料N和p的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给予以低温。由于高温端的热激发作用较强，此端的空穴和电子浓度比低端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散。从而在低温开路端形成电势差。将许多对p型和n型热电转换材料连接起来组成模块，就可以得到足够高的电压，形成一个温差发电机。

（二）汽车废气热能发电的系统设计

我们将热电模块安装于前排气管（如图示一），这里不仅有相对较大的安装空间，而且温度达到所需要求。但为了不让加装热电模块后影响前排气管的散热，从而破坏前排气管的工作环境，导致汽车工作异常。因此，我们将热电模块设计成环状形式（如图示二），以一定间隔嵌套在前排气管上，热电模块与前排气管之间加装导热贴片，这样不但能够高效率地吸收前排气管的热量，而且不影响其有效散热。由于每一个嵌套在前排气管的环形热电模块相当于独立的热能发电电源，当汽车在正常行驶时，发动机运行工况多变等原因，导致前排气管外表面的温度不稳定，造成所产生的电压波动比较大，使充电电路工作不稳定。为了消除影响，我们在设计电路里加入了稳压器，以使电压得到稳定。

通过这样的方式，我们就能利用废气的热能来进行发电。更为重要的是，我们能通过一定量的实验及分析其数据，来判定热电模块环状的数量与规格，进而控制其输出电压和功率，以匹配各种车载电器设备。

前排气管表面温度达到300-400℃，这符合设计要求。我们将发电电路的所有环形热电模块分为两组（如图示三），第一组为直接向车载冰箱供电（靠近发动机端，温度较高，能满足直供要求）；第二组为向蓄电池进行充电。在直接供电部分，我们把该组的环状热电模块进行串、并联，串联能够增大其输出电压，并联可以增加其输出电流，以保证足够的输出功率，同时加装上稳压器，力求所产生的电压与电流符合车载冰箱的工作要求。而在蓄电池蓄电部分，热电模块采取串联的方式，以增大其输出电压，同时也串上稳压器，形成一个稳定的电压，向蓄电池供电。对于以上两种独立的工作电路，我们采用温度控制开关来进行控制。当前排气管温度达到要求时，直供部分与蓄电池蓄电部分这两条电路同时接通。汽车熄灭后，前排气管温度下降到设定温度以下，温度控制开关断开以上两条电路，而接通由蓄电池供给冰箱的电路，保证冰箱能在一定时间里继续工作。

当使用车载冰箱时，温度控制开关控制着各电路的接通。当前排气管温度低于所设定的温度，此时1，3端口接通，车载冰箱由蓄电池供电；当前排气管温度高于所设定的温度时，1，2端口接通且3，4端口也接通，此时车载冰箱由热电模块组1直接供电，而热电模块组2向蓄电池充电。

具体工作过程如下：当汽车启动时，前排气管由环境温度到达所需的工作温度（这段时间大概为20秒，可以忽略不计），这时，温度控制开关使直供部分和蓄电池蓄电部分同时接通，直供部分就供给冰箱，蓄电部分就为蓄电池蓄电。驾驶者需要使用冰箱时，只需按下开关按钮，冰箱即能正常工作；当驾驶员将汽车熄灭后，当温度下降到设定温度时，由于直供电路产生的电能不能保证电冰箱的正常工作，温度控制开关切断直供电路，而接通蓄电池与冰箱之间的电路，此时冰箱直接由蓄电池供电，能维持一定时间内继续工作。这样的电路设计能使汽车电器减小对发动机的依赖。

四、可行性分析：

（1）节能环保分析：由于利用的是二次能源，符合绿色环保低碳的主流。同时能存蓄一定能量，以减少能量的流失。

（2）市场前景分析：热电材料造价合理，技术日渐成熟；热能发电技术逐渐得到重视，相信这套汽车废气热能发电系统能得到广大汽车用户的认可。

（3）实现的可能性分析：前排气管具有热量采取方便，温度相对稳定，且安装空间大，便于安装与拆卸，十分合适安装热电模块。同时方便线路布置，对汽车总体结构影响不大。根据我们所掌握的信息和技术，完成这套系统的制作相信不会遇到很大的障碍。

五、项目的特色和创新之处

1.本系統具有清洁、无噪音污染、无毒害物质排放、高效、寿命长、坚固、可靠性高、稳定等一系列优点。

2.符合绿色环保要求，实现了能源的二次利用，对国民经济的可持续发展具有重要的战略意义。

3.发电部分采取环状嵌套方式，便于安装的同时也不会使汽车内部结构做出太大的改动。

4.造价低廉，且器件可回收再用，符合社会的低碳生活要求。

5.利用废气余热作为能源，同时设计时参考发动机原理等，具有不影响汽车原有的动力性能和燃油经济性的优点。

6.结构简单，维修方便。实用性强，功能多样化（废气余热所产生的电不仅可用于车载冰箱，也可以用于其他电气设备）。

（作者单位：中北大学朔州校区）