关于优化汽车尾气温差发电系统效率的探讨

曹相赢

摘 要：近年来汽车保有量不断增加，但一直以来汽车运行过程中都存在能量利用率低的问题，特别是通过尾气带走较多的热量，导致能源大量浪费。针对于这种情况，温差发电技术的出现有效的解决了这个问题，其通过热电转化技术，利用汽车尾气温差发电系统可以将尾气中的余热转化为电能输出，可以有效的提高能源的利用率。温差发电系统是利用汽车尾气能量特点将尾气中的热能转化为电能，并通过储能设备为其他车载用电设备供电，实现能源的重复利用。文中从温差发电系统概述入手，分析了温差发电器结构组成，并进一步对优化汽车尾气温差发电系统效率的措施进行了具体的阐述。

关键词：汽车尾气温差发电;原理;温差发电器结构;效率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.068

1 温差发电系统概述

由于温差发电是依托于赛贝克效应原理，通过将半导体热电材料一端连接在一起使其处于高温状态，另一端开路则处于低温状态，冷端形成开路电压，利用热电材料的赛贝克效应完成热能向电能的转化，其中主要是利用两种导体或是半导体材料之间所产生的电动势，而且冷热两端温度差与赛贝克电压之间呈现为正比关系。温差发电系统主要组成为热电模块、废热通道及冷却水箱。在汽车排气管处来安装热电模块，这样热端和冷端之间会有温差产生，利用热电模块产生电能后，并通过热电模块进行整流、限压和稳压处理后，将电能向外界进行输送。在温差发电系统中，废热通道和热电模块作为主要组成部分，因此温差发电系统的输出功率直接受到废热通道的内部结构及热电模块的连接方式的共同影响，两者也是提高温差发电系统发电效率的关键所在。

2 温差发电器结构及运行原理

温差发电器根據其结构不同可以将其分为内置式和外置式温差发电器。这其中内置式温差发电器的应用过程中，其将集热器与发电模块与排气管内壁直接连接，通过高温尾气之间的对流来形成发电器热端，其温差的获取主要依赖于排气管内的高温热能和循环水冷，以此来完成热能向电能的转换。外置式温差发电器分为平板式和圆筒式两种。当前汽车排气管通常以圆形为主，但发电片结构则为长方体，而且材质也不容易弯曲，这样就导致温差发电片与排气管之间无法实现充分接触，影响热量的传递。通过利用平板式温差发电器，将温差发电片与平板贴紧，采用夹紧装置对其固定，选择在排气消音器与三元催化转化器之间适宜的位置处进行安装。在圆筒式温差发电器中，发电器外形结构为正多边体，这样温差发电片能够与正多边体的每个面之间实现紧密贴合，利用对流换热及热传导方式使高温尾气热能能够及时向发电片的热端进行传递，以风冷或是循环水冷作为冷端，两端具有较大的温差，以此来产生电能。

3 优化汽车尾气温差发电系统效率的措施

3.1 提升温差发电材料的性能

近年来随着科学技术的快速发展，无论是半导体温差材料还是纳米结构材料都取得了较快的进步，这也使温差发电系统发电效率有了大幅度的提升。目前可以在实践中进行应用的温差发电材料已达到十几种之多，而且一些新的制造工艺也不断兴起，通过将不同元素掺杂在合金中，并利用不同制备手段来对传统热电材料进行低维化和梯度化改造，取得了较好的效果，赛贝克系数得以提高，同时导热系数和电阻率都处于较低水平，热量能够集中在接头附近。特别是材料梯度化的发展，单一温差发电材料的性能有了较大的保障，而且各组分运行中都能够处于最佳的温度区内，温度范围进一步拓宽。

3.2 合理设计单片温差发电模块的内部构造

温差发电模块作为温差发电装置中关键性的组成部分，由于其在整个装置中承担着热电转化的任务，因此温差发电模块性能与系统的输出功率具有直接的关系。因此需要对单片温差发电模块的构型进行优化设计。在具体设计时，模块内部热电原件长度要保证在最佳的范围内。当热电元件截面积越大时，输出功率则会降低，因此需要合理确定热电元件截面积，适当降低导热基底的厚度，以此来提高输出功率和能量转化效率。具体连接方式可以采用列内模块并联、列间模块串联及层间模块串联等方式，这样可以有效的确保温差发电模块的性能，而且有利于最大程度的提升温差发电模块的空间和效率，对提高温差发电装置的输出能力具有极为重要的意义。

3.3 优化发电系统拓扑结构

对于发电系统拓扑结构，在对其进行具体优化过程中，需要对温差发电装置结构、热端气箱设计和冷端构造等给予充分的重视。由于单片温差发电模块发电量较小，因此在具体应用过程中，需要将其与温差发电组相连，通过布置多个单体热电模块，以此来组成温差发电模块组的拓扑结构。温差发电模块最为常见的以平板式、圆柱型及网状型为主，这其中明层叠平板式结构空间和性能方面都具有一定的优势，可以有效的提高汽车尾气温差发电系统的发电效率。热端气箱以上下两层安装在汽车尾气排气管处，其内外部设有不同的扰流片，温差发电模块冷热端温度均匀分布，则模块发电效率也会处于较高水平。因此可以在冷热端设置扰流片，可以有效的降低尾气流速，而且尾气能够长时间的停留在热端，有利于提高尾气利用率，并确保热端温度分布均匀。

对于温差发电系统而言，冷端散热装置是较为重要的一个部件，冷端散热装置的性能直接关系到温差发电模块冷热两端温差。通常情况下采用自然风冷和水循环冷却管道作为冷端散热方式，而且以水循环冷散热方式应用居多，其能够将冷端温度快速降低的同时，还能够保证温度均匀分布，并实现水循环使用，具有非常好的应用效果。

4 结束语

近年来汽车产业发展速度较快，汽车对于能源的消耗也不断增加，在这种情况下，汽车节能显得尤为重要。利用汽车尾气温差发电系统可以有效的提高汽车能量的利用效率，即通过利用尾气中所带走的能量进行温差发电，可以实现能源的节约。因此通过对汽车尾气温差发电系统的效率进行优化具有极为重要的现实意义和深远影响。

参考文献：

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