汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)

汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)Automobileexhaustthermoelectricpowergenerationsystem摘要(Abstract):汽車尾氣會以熱的形式大量散失，散失的熱量在100瓦的量級。本項目基于微電腦控制技術將汽車發(fā)動機尾氣原本以余熱直接排放到大氣中的能量，運用半導體溫差發(fā)電組件轉化成電能回收利用。并且將發(fā)電核心裝置和汽車三元催化器結合。使此裝置在現(xiàn)有車輛上應用的可行性大幅度提高，并且彌補了三元催化器在汽車啟動時催化效率低的缺陷。發(fā)電核心模塊為全固態(tài)結構，正常使用時間達10-15年?；陂_關穩(wěn)壓電路設計的穩(wěn)壓模塊為車載電器提供穩(wěn)定的12V電源。發(fā)電組件在為車載電器供電還有盈余時對蓄電池充電。并且發(fā)電組件的工作情況，發(fā)電功率等信息通過顯示器顯示。同時發(fā)電組件和發(fā)動機三元催化器結合，在發(fā)動機啟動時蓄電池為發(fā)電組件供電，發(fā)電組件具有制熱功能可以為三元催化器加熱，縮短發(fā)動機起動時三元催化器達到正常催化效率溫度的時間，從而提升三元催化器在發(fā)動機啟動時的催化效率。當發(fā)動機正常工作時發(fā)電組件高溫面的溫度符合三元催化器正常工作溫度范圍。所以兩部分結合既可以提升三元催化器在發(fā)動機起動時的催化性能，又方便此系統(tǒng)在現(xiàn)有車輛上安裝。關鍵詞(keyword):汽車尾氣發(fā)電；溫差發(fā)電；三元催化器；節(jié)能減排。1、引言(Introduction)課題的背景和意義當前，我們社會面臨環(huán)境惡化和能源危機的威脅，人類的可持續(xù)發(fā)展需要對綠色能源技術的發(fā)展給予更多地關注這使得溫差發(fā)電技術越來越引人注目，該技術是一種固態(tài)能量轉換方式，能夠直接將熱能轉化為電能？半導體溫差發(fā)電組件無機械轉動，因而無噪聲？壽命長？工作穩(wěn)定可靠？輕便，且可利用各種設備的廢熱、余熱等，因而適用于軍事、勘探和邊遠地區(qū)等的小功率發(fā)電和深空探測？另外，半導體發(fā)電模塊可廣泛用于小家電制造、儀器儀表、玩具及旅游業(yè)。由于傳統(tǒng)能源價格日益高漲，廢熱回收利用愈形重要，熱電廢熱回收技術可望繼太陽光電技術之外，成為下一波新興產業(yè)。其技術特點：利用汽車尾氣發(fā)出的電給汽車電瓶充電，供應用電系統(tǒng)國內外研究現(xiàn)狀及我國的研究近況人們對能源的不斷的需求，以及環(huán)境保護意識的日益增強，使得各國科學家不斷探索新的能源，例如：風能、太陽能、潮汐和地熱發(fā)電等?？茖W家開始嘗試利用汽車尾氣的余熱發(fā)電，而汽車的余熱發(fā)出的電相當于有“1000節(jié)AA電池”。美國加州的熱力生命能量公司主要生產工業(yè)用溫差發(fā)電系統(tǒng)。該公司目前也在研制能夠在只有幾攝氏度溫差環(huán)境下工作的發(fā)電機，這與汽車尾氣發(fā)電的原理大致相當。將1000臺這樣的發(fā)電機組合在一起，就能夠提高能量輸出。該公司已經研制成功的原型系統(tǒng)可以在50度溫差條件下發(fā)電100W足以驅動一個心臟起搏器或者生物傳感器。而美國北卡三角州國際研究院采用納米材料制成1cm3大小的發(fā)電裝置，可以在0.9oC溫差范圍內，輸出144W電量，考慮到能量損失，最終輸出電量也達到了67W足以維持心臟起搏器正常工作，這塊貼片輸出的10~20mw的電量，也可以為充電電池補足3次電力。汽車尾氣溫差發(fā)電早在1821年，德國物理學家塞貝克發(fā)現(xiàn)了溫差電勢，溫差電勢的大小，同被加熱的接點(熱端)和沒有加熱的冷端的溫度差成正比，而且與兩種導體本身的材料有關?；诖嗽淼臒犭娕甲鳛楣I(yè)測溫的主要探測頭。利用“塞貝克效應”原理來開發(fā)發(fā)電電池有著廣闊的前景。作品利用基于塞貝克效應制成的半導體溫差發(fā)電芯片對汽車發(fā)動機尾氣熱能回收利用，遵循基本的科學原理2、基本原理（Fundamental）2.1.塞貝克效應如圖1a所示，A、B兩種不同導體構成的回路，如果兩個結點所處的溫度不同（Ta和Tb不等），回路中就會有電動勢存在。這一現(xiàn)象是德國物理學家塞貝克發(fā)現(xiàn)的，被稱為塞貝克效應，它是溫差發(fā)電技術的理論基礎。（a）半導體效應產生Seebeck效應的主要原因是熱端的載流子往冷端擴散的結果。例如p型圖1a圖1b半導體，由于其熱端空穴的濃度較高，則空穴便從高溫端向低溫端擴散；在開路情況下，就在p型半導體的兩端形成空間電荷（熱端有負電荷，冷端有正電荷），同時在半導體內部出現(xiàn)電場；當擴散作用與電場的漂移作用相互抵消時，即達到穩(wěn)定狀態(tài)，在半導體的兩端就出現(xiàn)了由于溫度梯度所引起的電動勢溫差電動勢。自然，p型半導體的溫差電動勢的方向是從低溫端指向高溫端（Seebeck系數(shù)為正），相反，n型半導體的溫差電動勢的方向是高溫端指向低溫端（Seebeck系數(shù)為負），因此利用溫差電動勢的方向即可判斷半導體的導電類型?？梢?，在有溫度差的半導體中，即存在電場，因此這時半導體的能帶是傾斜的，并且其中的Fermi能級也是傾斜的；兩端Fermi能級的差就等于溫差電動勢。半導體的Seebeck效應較顯著。一般，半導體的Seebeck系數(shù)為數(shù)百mV/K這要比金屬的高得多。（b）金屬效應因為金屬的載流子濃度和Fermi能級的位置基本上都不隨溫度而變化，所以金屬的Seebeck效應必然很小，一般Seebeck系數(shù)為010mV/K雖然金屬的Seebeck效應很小，但是在一定條件下還是可觀的；實際上，利用金屬Seebeck效應來檢測高溫的金屬熱電偶就是一種常用的元件。塞貝克效應電勢差的計算公式：■.-I、：|、-，；■JtiSA與SB分別為兩種材料的塞貝克系數(shù)。如果SA與SB不隨溫度的變化而變化，上式即可表示成如下形式：-、：；..7丁圖1b為簡單的溫差發(fā)電元件(或稱溫差電池)，N型半導體1和P型半導體2在一端用金屬片3連接起來，另一端接負載電阻R。當一端加熱至溫度T1,而另一端保持在溫度T0時，回路中產生溫差電動勢，使負載電阻上有電流I流過。溫差發(fā)電效率的定義是：外電路中得到的有用電能I2R與熱源所消耗的能量之比。熱源消耗的能量包括以下幾項：在熱端吸收的珀爾帖熱Q1:Q仁a2T1(T1-T0)/(R+r)由熱端傳導到冷端的熱量QmQm=K(T1-T0)，式中K為熱導K=(A1s1+入2s2)/l，式中入1、入2分別為兩臂的熱導率。溫差電池內部，電流I流過所放出的焦耳熱中，有一半將轉移到熱端，因而把功率還給熱源。溫差發(fā)電機的效率主要取決于熱端和冷端的溫度和溫差發(fā)電材料的品質因數(shù)乙Z值還強烈地依賴于溫度，因而對于不同的工作溫度需要選取不同的材料。熱電轉換器件是溫差發(fā)電器的基本組件，能將熱能直接轉換為電能，其效率取決于熱電材料的性能和器件的設計制造水平。把一只P型半導體組件和一只N型半導體組件通過連接片連接起來，當接頭處存在溫差和熱量的轉移時，按照塞貝克效應就會有電動勢產生(圖1b)，把若干對半導體組件在電路上串聯(lián)起來，而在傳熱方面是并聯(lián)的，這就構成了一個通用的熱電轉換器件，其結構如圖1c所示。在有溫差存在的條件下它就能將熱能直接轉化為電能，且不需任何運動部件，也無氣體或液體介質存在，安全可靠，對環(huán)境無任何污染，是十分理想的電源。22溫差發(fā)電器單個熱電轉換器件的轉換功率很小，需要經過串/并聯(lián)組合制成溫差發(fā)電器，實現(xiàn)標準化、系列化。溫差發(fā)電器的結構趨向通用化和組件化，并取決于熱源特征、散熱方式和溫度分布，以及所用熱電轉換器件的性能和排列情況。目前，溫差發(fā)電器主要有平板式（如圖2所示）。平板式溫差發(fā)電器的熱電轉換模塊適合平鋪在矩形通道上，運行時熱流從通道內流過，經壁面向轉換模塊傳遞熱量圖2:半導體溫差發(fā)電組件（有字的一面為冷面，另一面則為熱面，紅色為正電極，黑色為負電極）圖3:尾氣發(fā)電工作圖3、實驗過程（DesignoftheDevice）3.1.溫差發(fā)電組件的技術參數(shù)最早用的溫差發(fā)電材料為ZnSb合金（P型），用康銅片（N型）連接，其熱端溫度可達400oCBi2Te3-Bi2Se3固溶體（N型）和Bi2Te3-Sb2Te3固溶體在0300oC范圍內具有較高品質因數(shù)，是較好的低溫溫差發(fā)電材料。在300~600oC的中等溫區(qū)，常采用PbTe或PbTe與SnTe或PbSe的固溶體，600oC以上的高溫發(fā)電材料有Ge-Si合金、MnTe等。本項目選用PbTe熱電材料。實驗采用的熱電發(fā)電組件主要的技術參數(shù)如下：外型尺寸：40X40X4mm3最大耐溫：600oC器件引線：250mm耐高溫軟線；最大發(fā)電電壓：7.62V（溫差為200oC時）；最大短路電流：800mA（溫差為200oC時）芯片內阻：4.8Q；最佳匹配電阻：4.5-7.0Q溫差陶瓷片排氣管散熱片圖4:溫差發(fā)電組建件溫差陶瓷片排氣管散熱片組件的構成如圖4:主件采用汽車模型的排氣管，兩片溫差發(fā)電組件包圍構成。由于排氣管是圓形的，溫差發(fā)電組件是平面的，為了增加接觸面積，所以，增加了多邊形鋁制散熱器，內涂導熱硅脂，以增強導熱可靠性。使用鋁制散熱器可有效增強冷熱兩端的溫差，溫差越大，發(fā)電效率越高。為了固定散熱片，兩端打孔用4根螺絲固定，增強發(fā)電的穩(wěn)定性。實驗技術參數(shù)如下：排氣管外型尺寸：直徑：40mm表面積：125.6m2;溫差發(fā)電片：邊長：40mmX40mm2片，加熱到150oC;散熱器組件：規(guī)格：5cmX7cmX3.5cm，2個；發(fā)電功率：1W考慮到今后的實際使用情景，我們設計了：排氣管外型尺寸：直徑：60mm表面積：2826m2溫差發(fā)電片：邊長：40mmX40mm5片，加熱到500oC;散熱器組件：規(guī)格：5cmX7cmX3.5cm,5個；發(fā)電功率：50W實驗表明，溫差發(fā)電系統(tǒng)的溫差越大、熱源溫度越高、材料優(yōu)值越高，發(fā)電的效率就越局。3.2.汽車尾氣溫差發(fā)電發(fā)光燈珠實驗LED燈珠使用低壓電源，供電電壓在2?4V之間，根據(jù)產品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所；工作電流在0?15mA亮度隨電流的增大而變量。組件兩面上的溫差在0?60oC時，可產生電壓0?3.8V，電流0?3A。為了驅動LED可以是發(fā)電組件的溫差增大到60C,也可以使4?5個溫差發(fā)電組件的串聯(lián)起來。圖5:熱電發(fā)電片驅動LED的等效電路圖本實驗的裝置如圖5所示，我們將6x4=24個LED燈陣列安裝在插線板上,電路為24個燈珠并聯(lián)，供電為二個發(fā)電組件串聯(lián)。為了便于實驗和減少組件，我們只用兩個發(fā)電組件。我們知道，LED驅動的門檻電壓在1.8-2.2V以上。當LED的電壓達到1.8V以上，才有電流流過。同樣，在合理設計的情況下，溫差發(fā)電還可以電池進行充電啦!圖6:溫差發(fā)電驅動LED的實驗圖(a)實驗過程采用2片溫差發(fā)電組片考慮到今后的實際使用情景，我們設計了如圖6,LED完全點亮總電流500MA將2片溫差發(fā)電片，加熱到120oC,即可產生2V電壓，400MAfe流，即可點亮80盞燈；如果加熱溫度越高，散熱片面積增大，溫差越大，發(fā)電量就越大。3.3討論部分3.3.1汽車尾氣的排熱量汽車排放的尾氣溫度最高可以達到600C700C，發(fā)動機怠速運轉時400C。對解放CA141汽車排氣余熱溫差發(fā)電進行了研究。研究結果表明，將60塊熱電轉換器串聯(lián)或串然后并聯(lián)，能夠滿足額定電壓為14V,額定電流為25A的交流發(fā)電機的功率要求。杭州電子科技大學應用數(shù)學與工程計算研究所的劉斌和徐江榮對熱電轉換模塊在利用發(fā)電機廢熱時的擺放位置進行了研究，分析結果表明，排氣直管出口處壓力較大，有利于對流傳熱，將溫差發(fā)電器安裝在此處可以有效利用廢氣余熱。3.3.2在近似長方形的尾氣管上的散/集熱效率在同樣截面積的情況下，近似長方形尾氣管的周長更長，有利于集熱器的與尾氣管的接觸和熱量的收集。3.3.3經濟性分析據(jù)調查，以上海大約24000輛出租車，如果所有的這些車輛都是用我們的裝置的話，那這些車輛的電瓶就不用汽油充電啦。假如我們保守估計，一輛車輛充滿自己的電瓶需要兩個小時。這段時間內燃油大約6L,我們將這個數(shù)字保守的估計，假如這其中只用2L汽油來充電。假如說這其中現(xiàn)在汽油的價格為7.5元，也就是每天每輛車車輛能節(jié)省15元，一個月能節(jié)省450元。上海大約有24000輛這樣一月就會節(jié)省1080萬，這可不是一個小數(shù)目啊。一年就會節(jié)省10000萬元。3.3.4汽車三元催化器的工況溫度分析三元催化器是安裝在汽車排氣系統(tǒng)中最重要的機外凈化裝置，它可將汽車尾氣排出的COHC和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉變?yōu)闊o害的二氧化碳、水和氮氣。由于這種催化器可同時將廢氣中的工種主要有害物質轉化為無害物質，故稱三元。三元催化器對發(fā)動機排出來的廢氣進行催化轉化，當發(fā)動機的空燃比控制在理論空燃比附近時，其可以凈化90%勺CO和HC以及70%勺NOx,凈化效率是相當高的，但是其高低受到溫度的影響，只有當三元催化器達到起燃溫度即250?300r時才能有較高的轉化效率，而汽油機冷啟動后2分鐘后才能達到此溫度范圍。試驗表明在汽油車上一個排放測試循環(huán)中，絕大部分污染物(約占總量的70%?80%)是在冷啟動最初的2?3分鐘內排出的。在實車實驗中，EURO-循環(huán)測試催化器前的原始排放，在34s和65s后,其HC的排放值均超過了EURO?和EURO-標準限值，所以，必須采取措施提高三元催化器的起燃溫度。3.4.5電力發(fā)熱加熱三元催化器的可行性分析電加熱催化反應器主要用于控制冷啟動的廢氣排放，是滿足美國加州標準中LEV和ULEV的技術途徑。電加熱催化反應器是利用電阻金屬葉片置于催化器前端的進氣流路上，使電阻在電流通過時達到使排氣升溫的作用。在汽車啟動之前金屬基體電加熱催化轉化器通常和二次空氣泵聯(lián)合使用，以保障有充足的氧氣來氧化排氣中的CO和HC加熱電流可以由汽車尾氣集熱發(fā)電系統(tǒng)存儲的電能轉換供給，通過電極加熱葉片、金屬壓膜或金屬基體。金屬基體需要