汽車余熱發(fā)電的節(jié)能途徑溫差發(fā)電技術(shù)及其在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱利用中的應(yīng)用

汽車余熱發(fā)電的節(jié)能途徑溫差發(fā)電技術(shù)及其在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱利用中的應(yīng)用

汽車工業(yè)是中國(guó)經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易的主要支柱之一。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展,車輛消耗的能源與日俱增,車輛的節(jié)能也越來越受關(guān)注。然而,以現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)指標(biāo)評(píng)估,燃油中60%左右的能量沒有得到有效利用,絕大部分以余熱的形式排放到大氣中,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此,利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電是一個(gè)很好的節(jié)能途徑。由于汽車的結(jié)構(gòu)緊湊、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量小,車用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的利用相對(duì)于大型工業(yè)設(shè)備余熱回收來說難度更大。20世紀(jì)70年代以來,一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的學(xué)者提出了采用溫差發(fā)電器(ThermoelectricGenerator,TEG)來解決上述問題。TEG依據(jù)熱電直接轉(zhuǎn)換原理,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件、無噪聲等特點(diǎn),在低品位熱能利用方面具有獨(dú)特的效果;把它安裝在內(nèi)燃機(jī)的排氣管上,能夠?qū)?nèi)燃機(jī)運(yùn)行余熱直接轉(zhuǎn)換為電能。溫差發(fā)電的研究包括了熱電器件和發(fā)電器兩個(gè)方面,是熱電學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域。1材料和熱能變換材料1.1熱電材料配比熱電轉(zhuǎn)換器件是溫差發(fā)電器的基本元件,它的功能是將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能,效率取決于熱電極材料的性能和器件的設(shè)計(jì)制造水平。自從20世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)科學(xué)院的Ioffe院士提出了半導(dǎo)體熱電理論以來,用于溫差發(fā)電的熱電材料都是半導(dǎo)體材料,如用于低溫(300℃以下)熱電材料Bi2Te3及其固溶體合金、中溫(300℃～600℃)熱電材料PbTe-SnTe、高溫(600℃～1000℃)熱電材料SiGe、MnTe、SiRe2、CeS等。衡量熱電材料優(yōu)劣的指標(biāo)為“優(yōu)值”Z=α2σ/λ(式中α為塞貝克系數(shù),σ為電導(dǎo)率,λ為熱導(dǎo)率,Z的量綱為K-1)。研究中也常使用ZT值(稱為無量綱優(yōu)值,T為絕對(duì)溫度)。能夠用于溫差發(fā)電的材料既要有較高的α、σ值又要有較低的λ值,這是一個(gè)十分苛刻且矛盾的條件,以至于室溫下熱電材料ZT的最高值約為1的狀況至今未能突破。因而,尋找高優(yōu)值的熱電材料,一直是熱電學(xué)研究的重要內(nèi)容,這些研究主要包括:(1)熱電新材料的研究,如稀土硫化物、硒化物、富硼固體、方鈷礦型化合物的研究。這些研究表明,通過控制最佳載流子濃度或通過固溶摻雜來解決良電導(dǎo)和熱絕緣的矛盾是有效的。(2)熱電材料新結(jié)構(gòu)的研究,包括梯度材料、復(fù)合材料和量子阱結(jié)構(gòu)的熱電材料等。熱電材料的梯度結(jié)構(gòu)包括材料載流子濃度的梯度化和層疊熱電材料結(jié)合面的梯度化。合理的梯度化結(jié)構(gòu)可以使材料適應(yīng)內(nèi)部溫度梯度的變化,使得最佳的材料能運(yùn)用在最合理的溫度區(qū)域,提高總的轉(zhuǎn)換效率。(3)熱電材料制備新工藝的研究,常用的方法有熔體生長(zhǎng)法和粉末冶金法,以及微型半導(dǎo)體熱電器件采用的氣相生長(zhǎng)法。制備方法與工藝的完善與否,對(duì)材料的性能影響很大。粉末冶金法適用于大規(guī)模生產(chǎn),而且原材料浪費(fèi)少,獲得的材料機(jī)械性能好,是一種有前途的適合實(shí)用普及的工藝方法。1.2車輛余熱轉(zhuǎn)換模塊單個(gè)熱電轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換功率很小,需要經(jīng)串/并聯(lián)組合制成轉(zhuǎn)換模塊,并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。圖1為美國(guó)Hi-Z公司為車輛余熱轉(zhuǎn)換研制的一種熱電模塊,由71對(duì)碲化鉍熱電偶聯(lián)接起來,固定在一個(gè)被稱為“蛋架”的框架上;模塊在溫差200℃時(shí)輸出2.38V/19W電流。該公司已研制了4種不同規(guī)格的產(chǎn)品,形成了一個(gè)系列,輸出電功率從2.5W至19W。2溫差檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)2.1“兩種式”熱電轉(zhuǎn)換模塊的比較溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)取決于熱源特征、散熱方式和溫度分布,以及發(fā)電器所用熱電偶的性能和排列情況。目前溫差發(fā)電器主要有平板式和圓桶式兩種。平板式溫差發(fā)電器的熱電轉(zhuǎn)換模塊適合平鋪在矩形通道上,形成類似于太陽能電池陣的熱電偶陣,運(yùn)行時(shí)熱流從通道內(nèi)流過,經(jīng)壁面向轉(zhuǎn)換模塊傳遞熱量。圓桶式溫差發(fā)電器表面鋪設(shè)的熱電偶有一定的弧度,一般用于較大型的結(jié)構(gòu)上。一個(gè)典型的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,圖中柴油機(jī)排氣管通道上固定的是一個(gè)溫差發(fā)電器實(shí)驗(yàn)裝置,可以看出它的矩形結(jié)構(gòu)和連接導(dǎo)線。2.2積分熱可選用機(jī)液壓車用溫差發(fā)電器的熱源是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣和冷卻水帶走的余熱,前者的溫度可達(dá)800℃左右,后者一般在100℃以下。溫差發(fā)電器冷源的形式有空氣自然對(duì)流散熱、強(qiáng)迫通風(fēng)散熱、水冷散熱和環(huán)流散熱4種?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)的熱電偶臂長(zhǎng)僅為3～10mm,冷熱端間距很小,所以,適當(dāng)?shù)睦湓葱问绞谦@得較大溫差的關(guān)鍵因素之一。2.3機(jī)械固定法目前,溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)趨向通用化和組件化,熱電模塊固定在發(fā)電器外壁,固定方式主要有粘結(jié)法和機(jī)械固定法。圖3為機(jī)械固定的一個(gè)實(shí)例,其中的熱源是一條矩形管道,在它的外壁上布置有若干熱電模塊,模塊的外側(cè)設(shè)置了冷卻水道,并用支架和彈簧壓緊。這種方法相對(duì)于粘結(jié)法來說,便于更換與檢修,但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,接觸熱阻也比較大。2.4不同溫區(qū)內(nèi)設(shè)置熱參數(shù)設(shè)置充分利用溫差的另一個(gè)措施是使各熱電模塊工作在最適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)。由于排氣管內(nèi)的熱流體沿其流動(dòng)方向溫度在不斷下降,因此,沿流動(dòng)的方向?qū)⑼ǖ绖澐殖扇舾蓽囟葏^(qū)域,在不同的溫區(qū)內(nèi)設(shè)置不同材料的熱電模塊,使其工作在適當(dāng)?shù)臏囟认?從而獲得最大的轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。3構(gòu)建調(diào)濕式調(diào)空小組2.2模型試驗(yàn)裝置近年來,車用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱溫差發(fā)電技術(shù)發(fā)展很快,國(guó)內(nèi)外許多高校、科研機(jī)構(gòu)、軍隊(duì)、有關(guān)企業(yè)、汽車公司都有研究成果的報(bào)道。一些試驗(yàn)裝置已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)、道路試驗(yàn)以及耐久性試驗(yàn),轉(zhuǎn)換規(guī)模在數(shù)百瓦至1500W之間。圖4為日本Nissan汽車公司研究中心研制的溫差發(fā)電器,它的外形尺寸為440mm×180mm×170mm,接在3000cc汽油機(jī)的排氣管中部;所用的熱電偶直徑20mm、高度9.2mm,每8對(duì)組成一個(gè)模塊,每個(gè)模塊輸出1.2W電能,總共72塊模塊敷設(shè)在內(nèi)通道的矩形外壁上。溫差發(fā)電器的外部采用水冷卻,最大溫差為563K。在道路實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)汽車以60km/h的速度爬坡時(shí),發(fā)電器可轉(zhuǎn)換排氣中11%的熱量。美國(guó)Hi-Z技術(shù)公司Bass等人1984年發(fā)表了關(guān)于1.5kW溫差發(fā)電器設(shè)計(jì)的論文,1990年以后,在美國(guó)能源部的連續(xù)資助下進(jìn)行了載重車柴油機(jī)排氣余熱溫差發(fā)電的研究,2001年在康明斯250kW(335Hp)柴油機(jī)上進(jìn)行了臺(tái)架和道路實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)在排氣管上用72塊HZ-14模塊按圓周排列布置,冷端用水冷卻,形成了250℃～270℃溫差。試驗(yàn)所用的溫差發(fā)電器輸出電功率隨溫差變化情況見圖5。圖6為輸出電功率隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載變化的規(guī)律,圖中不同的斜線代表不同的轉(zhuǎn)速。可以看出,輸出功率主要依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化,而受轉(zhuǎn)速變化的影響較小。試驗(yàn)裝置共產(chǎn)生30V/1kW的直流電,成本約為1000美元,回收需要一年半左右的時(shí)間。這一裝置的性能處于領(lǐng)先,但是獲得的總功率不算高,到現(xiàn)在還沒有進(jìn)一步實(shí)用的報(bào)告。文獻(xiàn)對(duì)國(guó)產(chǎn)解放141汽車排氣余熱的溫差發(fā)電做了研究:原車發(fā)電機(jī)輸出功率為350W,額定電壓14V,額定電流25A。計(jì)算表明,當(dāng)使用960個(gè)碲化鉛熱電偶,高溫?zé)嵩礊?00℃,低溫?zé)嵩礊?00℃時(shí),只要有16610J/s的排氣余熱就能轉(zhuǎn)換得到與發(fā)電機(jī)的輸出相等的電量。而臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)得該車發(fā)動(dòng)機(jī)在最低轉(zhuǎn)速時(shí)排氣的溫度和流量已經(jīng)能滿足這些要求,說明了排氣余熱的溫差發(fā)電具有實(shí)用性。俄羅斯聯(lián)邦科學(xué)中心物理與能源工程研究所(SSCRF-IPPE),進(jìn)行了高寒區(qū)載重車發(fā)動(dòng)機(jī)的直接發(fā)電和取暖的研究。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為154kW(210hp)的俄制發(fā)動(dòng)機(jī),輔助的溫差發(fā)電器有平板式和圓柱式熱電模塊兩種形式,產(chǎn)生600W電能,可以滿足全車用電,尚有余熱供給駕駛室取暖。4治療溫升和懸架的研究研究表明,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)電器的效率就越高。因此,提高溫差發(fā)電器性能的方向是開發(fā)高優(yōu)值的熱電材料和高效的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。由于近50年來,熱電材料的研究沒有取得期望的進(jìn)展,因此,在現(xiàn)有材料的條件下開發(fā)高效溫差發(fā)電器就成為了主攻的方向。在這方面融合了先進(jìn)設(shè)計(jì)方法和多學(xué)科的基礎(chǔ)理論,如:(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。熱電偶的優(yōu)值除與電極材料有關(guān),也與電極的截面和長(zhǎng)度有關(guān),不同電阻率和導(dǎo)熱率的電極應(yīng)有不同的幾何尺寸,只有符合最優(yōu)尺寸才能獲得最佳的器件優(yōu)值。同時(shí),設(shè)計(jì)中還要對(duì)溫差發(fā)電器的負(fù)載等性能以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合考慮,采用優(yōu)化、仿真和CAD等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),是今后研究的重要課題之一。(2)可靠性研究?？煽啃暂^高一直是半導(dǎo)體熱電器件的最主要的優(yōu)點(diǎn)之一,但受設(shè)計(jì)、制造和使用環(huán)境等因素的影響,器件的穩(wěn)定性和使用壽命有明顯的差別。有關(guān)失效機(jī)理的分析和實(shí)驗(yàn)表明,半導(dǎo)體熱電器件失效的主要原因是熱電偶接頭處發(fā)生的物質(zhì)遷移,接頭處焊料或?qū)Я髌脑油ㄟ^固體擴(kuò)散的形式進(jìn)入到電極材料中,成為額外的摻雜原子,以及材料中摻入的雜質(zhì)原子析出等改變了材料特性等。這些問題尚有待解決。(3)傳熱學(xué)的研究。溫差發(fā)電器在設(shè)計(jì)中,需要根據(jù)熱、冷源的形式,研究它的傳熱方式、接觸熱阻、散熱形式,幾何形狀及強(qiáng)化方法等問題。這方面的研究已經(jīng)成為溫差發(fā)電器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之一。(4)多場(chǎng)協(xié)同轉(zhuǎn)換器的研究。華南理工大學(xué)課題組根據(jù)排氣管內(nèi)熱流的換熱形式和熱電偶回路的基本定律,提出了一種全新的溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)。研究采用內(nèi)置的軸向網(wǎng)狀熱電轉(zhuǎn)換模塊和多級(jí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),冷源為分離式循環(huán)水冷,直接接入發(fā)動(dòng)機(jī)的水冷系統(tǒng)。這樣做可以獲得較大的溫差、較高的熱電偶集成度,并降低對(duì)熱電材料λ值的要求,強(qiáng)化了速度