汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電裝置及電氣布置的試驗(yàn)研究

汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電裝置及電氣布置的試驗(yàn)研究

根據(jù)研究，目前汽車燃料的生產(chǎn)率不到30%，大部分能量損失于燃料水和車輛排放的高溫氣候。若將發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣廢熱進(jìn)行再利用,可以進(jìn)一步提高汽車的能源利用率,從而提升整車綜合性能。汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電裝置主要包括熱電模塊、廢氣通道箱體和冷卻水箱體等。其原理是將半導(dǎo)體材料制成的熱電模塊布置在連接發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的廢氣通道箱體和冷卻水箱體之間,在模塊的兩端產(chǎn)生熱源和冷源,通過兩端的溫度差產(chǎn)生電能。溫差發(fā)電的效率與熱電模塊的性能、兩端的溫差及其在廢氣通道箱體上的布置形式有關(guān)。1關(guān)于發(fā)熱模塊性能的研究1.1熱電材料的研究汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電效率與熱電模塊的性能有直接關(guān)系,尋找高優(yōu)值的熱電材料,一直是熱電研究的重要內(nèi)容。在熱電材料的研究方面,稀土硫化物、硒化物、富硼固體和方鈷礦型化合物等,都較適于做熱電模塊的材料。目前用于溫差發(fā)電的熱電材料大多是半導(dǎo)體,在不同的溫度范圍內(nèi)熱電轉(zhuǎn)換效率較高的材料主要有以下幾種,如表1所示。1.2采用2te3熱電轉(zhuǎn)換熱電模塊的性能主要包括熱電轉(zhuǎn)換效率及其能承受的溫度范圍。不同廠家生產(chǎn)的熱電模塊轉(zhuǎn)換性能與耐高溫能力不盡相同,熱電模塊的生產(chǎn)廠家主要有Hi-Z、Furukawa、Komatsu等。例如Komatsu公司的Bi2Te3熱電模塊,在高溫端280℃、低溫端30℃時(shí),具有7.2%的熱電轉(zhuǎn)換效率,該溫差下單體模塊最大功率可達(dá)24W,能量密度為1W/cm2。目前國內(nèi)也正在積極研究各種熱電材料,如圖1所示是某型號(hào)尺寸為29mm×29mm×4mm的Bi2Te3低溫?zé)犭娔K兩端電壓隨溫差變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,隨著兩端溫差的增大,模塊的發(fā)電能力增強(qiáng),在溫差160℃(高溫端220℃,低溫端60℃)時(shí),開路電壓達(dá)到1.56V。2發(fā)動(dòng)機(jī)污水溫度場(chǎng)的分布2.1氣流溫度場(chǎng)分布試驗(yàn)為了解發(fā)動(dòng)機(jī)排氣沿管道走向的溫度分布,并結(jié)合熱電模塊高溫端的額定溫度,找出理想?yún)^(qū)域布置廢熱溫差發(fā)電裝置,筆者進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管溫度場(chǎng)分布試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用某型發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.6L乘用車,利用精密紅外溫度計(jì),測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下,排氣管外壁沿縱向等間距15cm各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度,起點(diǎn)為排氣支管,終點(diǎn)為排氣管末端。調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱負(fù)荷,在發(fā)動(dòng)機(jī)1000r/min、2000r/min和3000r/min工況下測(cè)定各點(diǎn)溫度并記錄,獲得的各轉(zhuǎn)速下各測(cè)量點(diǎn)溫度如圖2所示。2.2發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)較低熱值的影響由上述實(shí)驗(yàn)知,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高排氣管外壁溫度越高。由于在城市路況行駛,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般不超過3000r/min,因此,在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中,只分析發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3000r/min排氣管的溫度分布,即可與熱電模塊高溫端的額定溫度相比較。圖3所示為發(fā)動(dòng)機(jī)在3000r/min時(shí),采用紅外熱像儀采集得到的紅外圖像及相對(duì)應(yīng)的溫度分布曲線圖。2.3排氣溫度變化綜合圖2和圖3分析,由于熱量散失及廢氣流動(dòng)的延程損失,在發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下,排氣管外壁溫度總體上是從排氣支管到排氣管出口下降。在第一消聲器和第二消聲器有兩個(gè)明顯的溫度急劇下降的區(qū)間,主要為消聲器內(nèi)徑較排氣管內(nèi)徑尺寸突然變大所致。廢氣通過消聲器后,流進(jìn)相對(duì)較細(xì)的排氣管,外壁溫度又驟然回升,但總體相對(duì)流進(jìn)消聲器前溫度有所下降。同時(shí),在排氣管彎曲的位置因廢氣碰撞,此區(qū)域外壁溫度相對(duì)會(huì)有一定的升高。3廢氣通道實(shí)際模塊的確定廢熱溫差發(fā)電裝置箱體主要用于布置熱電模塊,其結(jié)構(gòu)取決于熱源和冷源的種類、熱電模塊的性能及系統(tǒng)的散熱方式,通常有平板式、圓桶式等。平板式溫差發(fā)電裝置可將熱電模塊平鋪在矩形廢氣通道箱體的上下表面,在布置模塊的數(shù)量上占有優(yōu)勢(shì),同時(shí)便于冷卻水箱體的布置,故采用如圖4所示廢氣通道箱體較優(yōu)。平板式溫差發(fā)電裝置的熱源是廢氣通道箱體外壁,冷源為冷卻水箱體。根據(jù)熱電材料的性能及發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的溫度場(chǎng)分布,選用不同類型熱電模塊時(shí)需在排氣管不同位置安裝廢氣通道箱體。在選用高溫材料模塊時(shí)將廢氣通道箱體布置于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣支管附近,在選用中溫材料模塊時(shí)將廢氣通道箱體布置于排氣支管和第一消聲器之間,在選用低溫材料模塊時(shí)將廢氣通道箱體布置于第一消聲器處。4在污水通道的箱中配置電動(dòng)汽車油壓板的方法4.1機(jī)排氣的溫度分布目前,汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電仍處于試驗(yàn)研究階段,實(shí)際裝車前,需要先利用廢熱溫差發(fā)電臺(tái)架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的溫度分布,將不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的廢氣通道箱體安裝至廢熱溫差發(fā)電臺(tái)架,比較各種結(jié)構(gòu)的紅外線熱像圖可知,圖5(a)中所示為無內(nèi)部結(jié)構(gòu)的廢氣通道箱體外表面熱像圖,其溫度場(chǎng)分布不均,僅在進(jìn)氣口附近區(qū)域獲得較高溫度;由圖5(b)中所示的廢氣通道箱體熱像圖知,其溫度分布均勻,高溫區(qū)域比例最大,熱能轉(zhuǎn)換效率最高,故應(yīng)選用該結(jié)構(gòu)。4.2串聯(lián)時(shí)大電流的影響確定廢氣通道箱體結(jié)構(gòu)后,通過比較分析,同一組熱電模塊在相近的溫度區(qū)域串聯(lián)發(fā)電效率較高。將熱電模塊串聯(lián)可以顯著增大電壓,但單體模塊具有一定的額定電流,這將限制由串聯(lián)所形成的電流增大額度。串聯(lián)數(shù)目到達(dá)一定值后,功率的提高轉(zhuǎn)而被電流制約。因此需要適當(dāng)并聯(lián),以使得大功率所需的大電流能夠被多個(gè)模塊分擔(dān)。經(jīng)試驗(yàn)研究并結(jié)合圖5(b)熱像圖所反映出來的廢氣通道箱體外壁溫度特性,采取圖6所示的布置方式,即模塊A、B、C、D串聯(lián),然后列與列之間并聯(lián)的組合連接方式,使系統(tǒng)獲取較