精简式汽车尾气温差发电系统

王黎明　罗文　李博文　李宗林

摘  要：近年来车辆的数目日益增多，尾气废热的排放量越来越多。我们经过查阅资料，发现温差发电在新型废热回收技术具有高度潜力。基于此技术，我们设计了可以将汽车行驶过程中尾气管上的热能直接转换为可利用的电能的系统。将半导体温差发电器件的热端固定在汽车排气管外壁上，器件高温侧就会向低温侧传导热能并产生热流，热能在器件内变成电能，输出直流电压和电流通过并联多个这样的器件便可获得较大的电流输出，达到发电目的。

关键词：温差发电;压缩气体;风冷散热;稳压;升压

1.研究背景

截止2016年末，我国民用汽车的保有量为19440万辆，并在以年增长率超过17%增长，中国已然成为名副其实的车辆大国。随着中国汽车数量的增加，车辆消耗的能源与日俱增，车辆的节能也越来越受关注。在国内，汽车的供能方式有汽油、天然气和电力等。但由于天然气供能的不稳定以及电动汽车电能的存储量等问题，使得汽油供能仍为首选。现在我国是世界上第二大石油消费国，同时也是石油和其他液体燃料的第一大净进口国。我国的石油价格一直据高不下。因此，我们除了寻找能替代石油的新型能源外，提高其利用率乃是重中之重。然而，以现有的内燃机指标评估，燃油中60%左右的能量没有得到有效利用，在汽车供能时会有一大部分以热的形式浪费。其中绝大部分以余热的形式直接排放到大气中，造成了巨大的经济损失和严重的环境污染。因此，利用一级尾气排放管余热发电是一个很好的节能途径。通过我们设计制作的精简式汽车尾气温差发电系统可以收集余热转换成电能，减少原有供电系统的消耗，从而达到节约能源的目的。

2.设计原理

2.1 设计思路

在汽车尾气排放管道上寻找合适的位置放置温差发电片，将发电片热端固定在排气管道上，冷端加上散热片以及小型的通风管道（利用车行驶时产生的气流）进行散热，使发电片两端温差尽可能增大，同时并联多片发电片使其能量充分利用，并利用稳压芯片使其输出较为稳定的电压，将产生的电能收集起来，减少汽车燃油在汽车发电上消耗的能量，以达到节能的目的。

2.2 研究方法

①汽车尾气排放管温度的测量：

由实地测量数据得，汽车三级尾气排放管道外壁温度为90度左右，不满足设计所需温度，而二级尾气排外管道外壁不便于温差发电装置的安装。在汽车行驶时，一级尾气排放管道外壁温度在100度到200度，且利用装置设置，符合设计要求。

②电压电流与温差变化的关系：

由于在汽车上实测不太方便且消耗较大，我们前期先在实验室模拟汽车行驶时的环境进行温差的产生的开路电压与发电电流的初步测量。

I实验设备：

温差片一片，散热片四片，红外测温仪，稳压模块，升压模块，万用表，导热硅脂，电吹风两个，酒精灯，铁片一块，电阻若干，LED小灯，导线若干。

II实验步骤：

⑴将温差发电片通过导热硅脂固定在铁片上，然后点燃酒精灯对铁片进行加热，同时使用吹风机对散热片吹风，用红外测温仪测量鐵皮表面温度，到达一定温度测量开路电压（通过移动酒精灯与铁皮之间的距离调控温度），并进行记录。

⑵接上电阻，当铁皮温度到达步骤⑴记录的数值时，测量电阻两端的电压，并计算其电流大小。

⑶撤去吹风机，加热一定时间后测温差发电片热端和冷端的温度差，发现温差基本在50℃左右，发电电压约为3.0V，用一个吹风机低档位吹散热片，温差在70℃左右，换用高档位温差可以升到90℃，换用两个吹风机，温差能达到100℃以上。

3. 创新特色

在汽车行驶过程中，精简式汽车尾气温差发电系统可以利用塞贝克效应（指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象）将发动机产生的热能直接转换为可利用的电能。

将半导体温差发电器件的热端粘到汽车排气管外壁，使其维持高温，冷端与散热片相连接，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，输出直流电压和电流。通过并联多个这样的器件便可获得较大的电流。

冷热端温差是影响半导体温差发电器件性能的最大因素。为了使温差发电片冷端温度更低，获取更大的温差，以便获得更高的输出功率，我们在冷端散热方面考虑了水冷和风冷两种方式。

4.应用前景

近年来，我国在经济飞跃的同时，汽车行业也有了飞速的发展。但与此同时，汽车使用量越大，导致汽车排放尾气增大、能源减少，一系列资源以及环境问题浮出水面。人们致力于研究节省燃油以及降低污染和排放成为汽车行业发展的一大关键问题。本精简式温差发电系统是一种可以将汽车一级尾气的热能转换为电能的装置，可以提高燃油的利用率，具有较强的应用前景和广阔的市场空间。利用汽车尾气废热进行温差发电的系统已经成为各大企业、高校以及其研究机构的关注热点，该装置能够使汽车排放的尾气内的废热以电能形式释放。在此过程中，可以有效地提高内燃机对燃料燃烧能量的利用率，提升汽车的燃油利用率，具有很好的应用前景和重要的社会价值。

目前热电转换模块的成本有所下降，并且可利用的中低温余热资源十分丰富，且成本非常低，这就使得温差发电在某些方面可以和目前有的传统的发电方式进行商业竞争。

本装置对传统温差发电系统的改进对温差发电系统应用于汽车上有着很大意义，相对于传统温差发电系统的笨重、发电效率低，本新型发电系统占地面积小、体积小，同时一定程度提升了温差发电热电转化效率。对传统意义的温差发电系统进行了改进之后，温差发电系统可以方便的安装到汽车第一级尾气排放附近，这样大大有利于尾气热量的吸收，进而使温差更大，提高了发电效率。