汽车尾气温差发电系统发电效率研究

摘 要：内燃机作为汽车的主动力源，热利用效率始终偏低，其中由尾气带走的热量就高达40%。温差发电是一项能直接实现热电转化的技术，而汽车尾气温差发电系统是一个直接将尾气中的余热转化为电能并输出的装置。但是传统的温差发电系统热电转化效率只有7%-10%。经过理论探讨与研究，文章从温差发电材料、热电模块自身性能、热电模块拓扑结构三个方面总结了温差发电系统发电效率的提升改进方案。

关键词：温差发电；塞贝克效应；热电能量转换；拓扑结构

1 温差发电原理及温差发电系统简介

温差发电主要利用半导体热电材料的塞贝克效应。将两种半导体材料一端连结放置在高温端（热端），另一端开路放置在低温端（冷端），在冷端形成开路电压的现象，就是赛贝克效应。利用这个效应直接将热能转化成电能。在两种导体或者半导体材料中产生的电动势，被称为温差电动势。塞贝克电压与热冷两端的温度差T成正比，即：

温差发电系统一般由热电模K、废热通道以及冷端散热装置3部分组成[1]。热电模块安装在排气管处，通过集热的热端与散热快的冷端形成温差[2]。热电模块产生的电能经控制模块，整流、限压、稳压之后输送给外界。

2 关于汽车尾气温差发电系统效率提升与优化

2.1 温差发电材料的性能提升

1954年Goldsmid发现具高赛贝克系数和高原子量的BiTe5， 1958年Brikhoklz和RoSi发现可以有效降低热导率的Bi2Te3与Sb2Te3以及Bi2Se3的合金，近些年广泛使用的各种半导体温差发电材料以及纳米结构材料也有新的进展，能通过降低晶体结构热导率，提高温差发电系统的发电效率[3]，温差发电材料性能也更加优越。

如今，温差发（热电）电材料主要有10种左右。在钴矿等传统材料研究的基础上新的制造工艺的研究正在兴起。人们通过在合金中掺杂不同元素，通过材料低维化（薄膜化）和梯度化等不同的制备手段对传统热电材料进行性能改造，提高优值，并取得了显著的效果。不仅有较大的塞贝克系数，还有较小的导热系数（或称热导率）及低的电阻率，从而使热量集中在接头附近。实践证明这些热电材料正朝着掺杂化、低维化、梯度化和优化载流子浓度这些方向发展。其中材料梯度化是解决目前温差发电材料工作温域较窄的最有效方法，其基本思想是在确保各组分单一温差发电材料的性能上，拓宽使用温度范围，使各组分都能在各自的最佳温度区工作[1]。

2.2 单片温差发电模块内部构造设计

温差发电模块是温差发电装置最核心的组件之一，主要的功能是实现热电转化，其性能优劣直接决定系统输出功率。一个由N对热电偶组成的热电模块产生的电动势V，可通过公式

式中：NPN-单一热电偶的总赛贝克系数；TH-热电模块热端温度；TC-热电模块冷端温度；T-模块两端的温差。

系数NPN为热电模块自身的性能参数。从上式可以看出，要想从系统的本质上提发电效率，需要优化模块的自身构造。

单片温差发电模块的构型优化设计主要包括热电原件数量、长度、截面积、电极和导热底布局等，对于获得高性能输出十分重要[4]。文献[3]的有关研究表明：

（1）模块内部热电原件长度的最优长度值在0.075mm～0.125mm范围内。

（2）输出功率随热电元件截面积的增大而减小。

（3）导热基底越厚，输出功率和能量转化效率均会减小。

提高温差发电装置的输出能力可以通过提高温差发电模块的塞贝克系数、导热性能、冷热端温差及增加温差发电模块数量来实现[5]，如今广泛采用列内模块并联、列间模块串联、层间模块串联的连接方式，这种构造的温差发电模块在空间和效率提升方面占据主要优势。

2.3 发电系统的拓扑结构

汽车尾气温差发电装置拓扑结构的优化，涉及三个主要方面：温差发电装置结构优化、热端气箱设计、冷端构造改良。

单片温差发电模块的发电量较小，应用时，通常将单片温差发电模块连接成温差发电组。这种多个单体热电模块间的布置关系称作温差发电模块组的拓扑结构。平板式、圆柱型及网状型是最常见的温差发电模块外，一般，明层叠平板式是比较有空间和性能优势的结构[1]，对汽车尾气温差发电系统来说，能最明显的提高发电效率。

设于汽车尾气排气管处的热端气箱，分为上下两层，内外部设有不同的扰流片。有关研究表明，温差发电模块冷热端温度分布越均匀，模块的发电效率越高[5]。而在冷热端设置扰流片，有降低尾气流速的作用，不仅使尾气在热端停留的时间稍微加长，提高尾气的利用率，更能达到热端温度均匀分布的作用。

冷端散热装置是温差发电系统必不可少的部件之一，性能的好坏直接决定温差发电模块冷热两端温差。现今常用的冷端散热方式有自然风冷，和水循环冷却管道。前者一般不被采用做汽车尾气发电装置的散热方式，原因是空气的导热性能好，比热容小，流动速度快等。汽车尾气余热散失快，降低余热的利用率，还造成冷端温度不均匀。因此，冷端散热方式一般选着水循环冷却，既能快速降低冷端温度，又能尽量减小温度分布不均的问题，并且水可以循环使用。

3 结束语

本文从传统汽车尾气温差发电系统的基本发电材料到系统模块构建以及整个系统的拓扑结构出发，针对这三个部位各自的特点，分别提出改进方案。阐明了材料掺杂化、低维化、梯度化以及优化载流子作为当今温差发电材料主要发展方向的原因。给出单片温差发电模块结构的优化要点，主要涉及到物理模型优化，数学模型优化。通过改变发电片的内部构型设计，定量给出内部电原件数量、长度、宽度、电极以及导热底部布局等。提出温差发电系统拓扑结构改进，包括温差发电模块的拓扑结构、热端以及冷端够造三个部分优化改良，从而整体上提高温差电系统的发电效率。

参考文献

[1]袁晓红.汽车发动机尾气余热温差发电装置热电转换技术研究

[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[2]郭.汽车尾气温差发电效率的影响因素[J].汽车工程师，2011（6）：45-47.

[3]程富强.碲化铋温差发电模块结构型优化设计[D].高电压技术，2014（4）.

[4]许志建，徐行.塞贝克效应与温差发电[J].现代物理知识，2004（1）：41-42.

[5]张哲.基于塞贝克效应的热电能量转换系统设计与优化[D].北京：北京林业大学，2016.

作者简介：邹治风，吉林农业科技学院电气工程及其自动化系学生。

刘帅，吉林农业科技学院电气工程及其自动化系学生。

吴嘉坤，吉林农业科技学院电气工程及其自动化系学生。

*通讯作者：齐明洋，男，硕士，助教，吉林农业科技学院教师，研究方向：新能源与智能控制技术。