發(fā)動機(jī)熱管余熱發(fā)電裝置的設(shè)計

發(fā)動機(jī)熱管余熱發(fā)電裝置的設(shè)計

隨著社會現(xiàn)代化的發(fā)展，國際能源需求日益增加，能源短缺問題日益嚴(yán)重，已成為限制區(qū)域發(fā)展的瓶頸。在我國雖然能源儲量較豐富,但由于人口眾多、社會發(fā)展迅猛,我國的剩余資源儲量已經(jīng)亮起了警燈,節(jié)約能源已是當(dāng)務(wù)之急。近年來,隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)及其對傳統(tǒng)能源觀念的轉(zhuǎn)變,尋找高效率、無污染的能源二次利用以及能量回收轉(zhuǎn)換的方法,已經(jīng)成為當(dāng)今能源科學(xué)急需解決的問題之一。本文就發(fā)動機(jī)排出高溫廢氣的熱能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行了一些簡單的研究探討。1汽車余熱余能目前,汽車的動力轉(zhuǎn)換效率僅在40%左右,其余能量均變成熱量散失到空氣中。汽車發(fā)動機(jī)的排氣壓力大,溫度高,由發(fā)動機(jī)的熱平衡試驗知道,發(fā)動機(jī)排氣所帶走的熱量占燃料燃燒熱的30%-40%左右,排氣溫度可達(dá)800℃左右。在青藏高原上,有的司乘人員利用汽車發(fā)動機(jī)的余熱裝置煮飯菜、燒開水,汽車余熱滿足了司乘人員用餐、飲水以及取暖的需要。這些大量的熱能散發(fā)到空氣中,造成了巨大的能源浪費。如果能將這部分能量的10%利用起來,定會帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益。2熱電轉(zhuǎn)換材料熱電轉(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,效率取決于熱電材料的性能和器件的設(shè)計制造工藝。熱能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱為塞貝克(Seebeck)效應(yīng),溫差發(fā)電是利用熱電材料的Seebeck效應(yīng),將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種方法。目前溫差發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率在10%以上。評價材料的熱電轉(zhuǎn)換效率,一般用溫差電優(yōu)值來表述:=2/,(為塞貝克系數(shù),是材料的電導(dǎo)率,為材料的熱導(dǎo)率),的量綱為-1,為了計算方便,一般都將作為評價材料溫差電轉(zhuǎn)換效率的標(biāo)準(zhǔn),稱為無量綱優(yōu)值。而要提高材料的熱電轉(zhuǎn)換效率,關(guān)鍵在于尋找高優(yōu)值的材料。目前研究較成熟的并已應(yīng)用于熱電設(shè)備中的材料主要有Bi2Te3/Sb2Te3、PbTe和SiGe合金。Bi2Te3/Sb2Te3適用于低溫,在室溫附近≈1,是目前室溫下值最高的熱電材料,主要用于制冷器。PbTe適用于400~800K,在600~700K溫區(qū),≈0.8,用于溫差電源。SiGe合金主要適用于700K以上的高溫,在1200K時,無量綱的溫差電優(yōu)值近似等于1,是當(dāng)前用于航天器溫差電源主要使用的熱電材料。SiGe合金的無量綱優(yōu)值在1左右,所對應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換效率約為10%左右,若想提高其效率,就必須進(jìn)一步提高其熱電優(yōu)值。而提高值,就必須要求材料具有盡可能高的功率因子和盡可能低的熱導(dǎo)率。對于同一種材料而言,這兩者相互關(guān)聯(lián)。近幾年來,國際熱電研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些可喜的進(jìn)展。由于SiGe合金可以通過摻雜分別制成p型和n型材料,并且可以通過調(diào)整組分比、摻雜和改進(jìn)制備方法等一系列措施,進(jìn)一步提高其值還具有很大的發(fā)展?jié)摿?。董桂田對國產(chǎn)解放141汽車排氣余熱溫差發(fā)電的研究表明,當(dāng)使用960個碲化鉛熱電偶,高溫?zé)嵩礊?00℃,低溫?zé)嵩礊?00℃時,只要有16610J/s的排氣余熱就能轉(zhuǎn)換得到與原車發(fā)電機(jī)輸出相等的電量。美國HIZ公司為車輛余熱轉(zhuǎn)換研制的一種熱電模塊,由71對碲化鉍熱電偶聯(lián)接起來,固定在一個被稱為“蛋架”的框架上;模塊在溫差200℃時輸出2.38V/19W電流。該公司已研制了4種不同規(guī)格的產(chǎn)品,形成了一個系列,輸出電功率從2.5W至19W。另外傳統(tǒng)的堿金屬熱電偶也是很好的轉(zhuǎn)換器件。2.1極限配方2.5%-3%硅正極成分是9%-10%鉻、0.4%硅,其余為鎳,負(fù)極成分為2.5%-3%硅,<0.6%鉻,其余為鎳。這類熱電偶優(yōu)點是有較強(qiáng)的抗氧化性和抗腐蝕性,價格便宜,可在1000℃以下長期連續(xù)使用。2.2極限考銅硅正極鎳鉻成分為9%-10%鉻,0.4%硅,其余為鎳;負(fù)極考銅成分為56%銅和44%鎳。鎳鉻/考銅熱電偶的最大優(yōu)點是熱電勢大,價格便宜。2.3鎳的合金正極為銅,負(fù)極為60%銅/40%鎳的合金。其優(yōu)點是靈敏度較高,熱電極容易復(fù)制,價格便宜,低溫性能好,適用于300℃以下的低溫轉(zhuǎn)換環(huán)境。2.4多層tefgm材料主要是利用晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的差異,制造出不同材料以適合于不同溫區(qū),采用SiGe/PbTe/Bi2Te3組成的多層TEFGM可以在很大的溫度范圍內(nèi)(室溫到1200K)獲得較大的ZT值。3實施方法3.1利用熱管內(nèi)的余熱利用需要經(jīng)串/并聯(lián)組合制成轉(zhuǎn)換模塊,才能夠達(dá)到實用狀態(tài)。盡管溫差半導(dǎo)體、熱電子發(fā)電器、光伏發(fā)電器和堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的工作原理各不相同,適用的熱源溫度差異也很大,但都能將熱能轉(zhuǎn)換成電能。它們都遵循在一定的溫度范圍內(nèi),轉(zhuǎn)換器的輸出電流與器件冷熱兩端溫度差大小成正比的規(guī)律。為了有效地利用排氣管排出氣體的熱能,提高熱電轉(zhuǎn)化效率,可以用如下幾種辦法解決:(1)延長排氣管的長度;(2)在接觸熱氣一側(cè)增加吸熱片來擴(kuò)大吸熱面積(見圖2)。熱電偶型可以將高溫端直接放入排氣管內(nèi),使其充分吸收熱量;半導(dǎo)體及其它類型的可以在高溫吸熱端加入手指形吸熱端子加強(qiáng)熱量吸收。(3)利用車體及空氣對熱電轉(zhuǎn)換器低溫端進(jìn)行冷卻。這種辦法具有結(jié)構(gòu)簡單,成本低,經(jīng)濟(jì)耐用等特點(見圖1)。(4)加入水循環(huán)冷卻系統(tǒng)(見圖3),船用發(fā)電裝置低溫端可以直接用水進(jìn)行冷卻,更加方便實用。3.2基于車輛和船只等發(fā)動機(jī)的材料形狀做成圓形或者橢圓形等不同形狀的熱電轉(zhuǎn)換裝置,安裝在發(fā)動機(jī)上即可使用。輸出的電力可以直接充入蓄電池或被其它電器利用(如圖1)。3.3冷冷卻端結(jié)構(gòu)根據(jù)圖1所示,發(fā)電裝置的本體2為管狀結(jié)熱端4,低溫冷卻端1和高溫吸熱端4均設(shè)計成翅片型結(jié)構(gòu),利用車體及空氣對熱電轉(zhuǎn)換器的低溫冷卻端1進(jìn)行冷卻,電流輸出端子5分別接低溫冷卻端1和高溫吸熱端4。3.4采用熱壓冷卻水系統(tǒng)參照圖3,本實用新型的低溫冷卻端1還可設(shè)計成水冷式結(jié)構(gòu),在熱電轉(zhuǎn)換器主體2與低溫冷卻端1之間設(shè)有冷卻水通道6,可與發(fā)動機(jī)的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)連接,船用發(fā)電裝置低溫端可以直接用水進(jìn)行冷卻,更加方便實用。3.5熱電轉(zhuǎn)換裝置將上述材料按照車船排氣管的形狀做成圓形或者橢圓形等不同形狀熱電轉(zhuǎn)換裝置(參見圖2),安裝在車船上即可使用。輸出的電力可以充入蓄電池或被其它用電器直接利用(參見圖4)。4熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)動機(jī)的廢氣余熱利用在我國還是一個新興的科技領(lǐng)域,溫差發(fā)電器用于發(fā)動機(jī)的余熱利用具有廣泛的應(yīng)用前景,是發(fā)展的必然趨勢。利用熱電材料的將發(fā)動機(jī)排氣管余熱能量的10%轉(zhuǎn)化為電能,其節(jié)約的能源總量也是巨大的。熱電材料性能的不斷提升,加之全球性的能源危機(jī)及環(huán)境保護(hù)的需要,利用熱電轉(zhuǎn)換技術(shù),進(jìn)一步將大量廢熱回收轉(zhuǎn)為電能的方式,普遍得到日、美、歐等發(fā)達(dá)國家的重視。這種熱電轉(zhuǎn)換裝置,工作時無噪音