汽車余熱發(fā)電的節(jié)能途徑溫差發(fā)電技術及其在汽車發(fā)動機排氣余熱利用中的應用

汽車余熱發(fā)電的節(jié)能途徑溫差發(fā)電技術及其在汽車發(fā)動機排氣余熱利用中的應用

汽車工業(yè)是中國經濟和貿易的主要支柱之一。隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展,車輛消耗的能源與日俱增,車輛的節(jié)能也越來越受關注。然而,以現(xiàn)有的內燃機指標評估,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,造成了巨大的經濟損失和嚴重的環(huán)境污染。因此,利用發(fā)動機余熱發(fā)電是一個很好的節(jié)能途徑。由于汽車的結構緊湊、發(fā)動機排氣量小,車用發(fā)動機余熱的利用相對于大型工業(yè)設備余熱回收來說難度更大。20世紀70年代以來,一些工業(yè)發(fā)達國家的學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)熱電直接轉換原理,具有結構簡單、無運動部件、無噪聲等特點,在低品位熱能利用方面具有獨特的效果;把它安裝在內燃機的排氣管上,能夠將內燃機運行余熱直接轉換為電能。溫差發(fā)電的研究包括了熱電器件和發(fā)電器兩個方面,是熱電學的一個重要領域。1材料和熱能變換材料1.1熱電材料配比熱電轉換器件是溫差發(fā)電器的基本元件,它的功能是將熱能直接轉換為電能,效率取決于熱電極材料的性能和器件的設計制造水平。自從20世紀50年代前蘇聯(lián)科學院的Ioffe院士提出了半導體熱電理論以來,用于溫差發(fā)電的熱電材料都是半導體材料,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)劣的指標為“優(yōu)值”Z=α2σ/λ(式中α為塞貝克系數(shù),σ為電導率,λ為熱導率,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,一直是熱電學研究的重要內容,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和熱絕緣的矛盾是有效的。(2)熱電材料新結構的研究,包括梯度材料、復合材料和量子阱結構的熱電材料等。熱電材料的梯度結構包括材料載流子濃度的梯度化和層疊熱電材料結合面的梯度化。合理的梯度化結構可以使材料適應內部溫度梯度的變化,使得最佳的材料能運用在最合理的溫度區(qū)域,提高總的轉換效率。(3)熱電材料制備新工藝的研究,常用的方法有熔體生長法和粉末冶金法,以及微型半導體熱電器件采用的氣相生長法。制備方法與工藝的完善與否,對材料的性能影響很大。粉末冶金法適用于大規(guī)模生產,而且原材料浪費少,獲得的材料機械性能好,是一種有前途的適合實用普及的工藝方法。1.2車輛余熱轉換模塊單個熱電轉換器件的轉換功率很小,需要經串/并聯(lián)組合制成轉換模塊,并實現(xiàn)產品的標準化、系列化。圖1為美國Hi-Z公司為車輛余熱轉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)格的產品,形成了一個系列,輸出電功率從2.5W至19W。2溫差檢測裝置結構2.1“兩種式”熱電轉換模塊的比較溫差發(fā)電器的結構取決于熱源特征、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,運行時熱流從通道內流過,經壁面向轉換模塊傳遞熱量。圓桶式溫差發(fā)電器表面鋪設的熱電偶有一定的弧度,一般用于較大型的結構上。一個典型的臺架實驗裝置如圖2所示,圖中柴油機排氣管通道上固定的是一個溫差發(fā)電器實驗裝置,可以看出它的矩形結構和連接導線。2.2積分熱可選用機液壓車用溫差發(fā)電器的熱源是發(fā)動機排氣和冷卻水帶走的余熱,前者的溫度可達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流散熱、強迫通風散熱、水冷散熱和環(huán)流散熱4種?，F(xiàn)在設計的熱電偶臂長僅為3～10mm,冷熱端間距很小,所以,適當?shù)睦湓葱问绞谦@得較大溫差的關鍵因素之一。2.3機械固定法目前,溫差發(fā)電器的結構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法和機械固定法。圖3為機械固定的一個實例,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,模塊的外側設置了冷卻水道,并用支架和彈簧壓緊。這種方法相對于粘結法來說,便于更換與檢修,但是結構比較復雜,接觸熱阻也比較大。2.4不同溫區(qū)內設置熱參數(shù)設置充分利用溫差的另一個措施是使各熱電模塊工作在最適當?shù)臏囟确秶鷥?。由于排氣管內的熱流體沿其流動方向溫度在不斷下降,因此,沿流動的方向將通道劃分成若干溫度區(qū)域,在不同的溫區(qū)內設置不同材料的熱電模塊,使其工作在適當?shù)臏囟认?從而獲得最大的轉換效率和輸出功率。3構建調濕式調空小組2.2模型試驗裝置近年來,車用發(fā)動機余熱溫差發(fā)電技術發(fā)展很快,國內外許多高校、科研機構、軍隊、有關企業(yè)、汽車公司都有研究成果的報道。一些試驗裝置已經進行了實驗室臺架試驗、道路試驗以及耐久性試驗,轉換規(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汽油機的排氣管中部;所用的熱電偶直徑20mm、高度9.2mm,每8對組成一個模塊,每個模塊輸出1.2W電能,總共72塊模塊敷設在內通道的矩形外壁上。溫差發(fā)電器的外部采用水冷卻,最大溫差為563K。在道路實驗中,當汽車以60km/h的速度爬坡時,發(fā)電器可轉換排氣中11%的熱量。美國Hi-Z技術公司Bass等人1984年發(fā)表了關于1.5kW溫差發(fā)電器設計的論文,1990年以后,在美國能源部的連續(xù)資助下進行了載重車柴油機排氣余熱溫差發(fā)電的研究,2001年在康明斯250kW(335Hp)柴油機上進行了臺架和道路實驗。試驗在排氣管上用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)動機負載變化的規(guī)律,圖中不同的斜線代表不同的轉速?？梢钥闯?輸出功率主要依賴于發(fā)動機負載的變化,而受轉速變化的影響較小。試驗裝置共產生30V/1kW的直流電,成本約為1000美元,回收需要一年半左右的時間。這一裝置的性能處于領先,但是獲得的總功率不算高,到現(xiàn)在還沒有進一步實用的報告。文獻對國產解放141汽車排氣余熱的溫差發(fā)電做了研究:原車發(fā)電機輸出功率為350W,額定電壓14V,額定電流25A。計算表明,當使用960個碲化鉛熱電偶,高溫熱源為500℃,低溫熱源為100℃時,只要有16610J/s的排氣余熱就能轉換得到與發(fā)電機的輸出相等的電量。而臺架實驗測得該車發(fā)動機在最低轉速時排氣的溫度和流量已經能滿足這些要求,說明了排氣余熱的溫差發(fā)電具有實用性。俄羅斯聯(lián)邦科學中心物理與能源工程研究所(SSCRF-IPPE),進行了高寒區(qū)載重車發(fā)動機的直接發(fā)電和取暖的研究。實驗對象為154kW(210hp)的俄制發(fā)動機,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換器結構。由于近50年來,熱電材料的研究沒有取得期望的進展,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設計方法和多學科的基礎理論,如:(1)優(yōu)化設計研究。熱電偶的優(yōu)值除與電極材料有關,也與電極的截面和長度有關,不同電阻率和導熱率的電極應有不同的幾何尺寸,只有符合最優(yōu)尺寸才能獲得最佳的器件優(yōu)值。同時,設計中還要對溫差發(fā)電器的負載等性能以及結構進行綜合考慮,采用優(yōu)化、仿真和CAD等現(xiàn)代設計方法進行優(yōu)化設計,是今后研究的重要課題之一。(2)可靠性研究?？煽啃暂^高一直是半導體熱電器件的最主要的優(yōu)點之一,但受設計、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。有關失效機理的分析和實驗表明,半導體熱電器件失效的主要原因是熱電偶接頭處發(fā)生的物質遷移,接頭處焊料或導流片的原子通過固體擴散的形式進入到電極材料中,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)傳熱學的研究。溫差發(fā)電器在設計中,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,幾何形狀及強化方法等問題。這方面的研究已經成為溫差發(fā)電器設計的基礎之一。(4)多場協(xié)同轉換器的研究。華南理工大學課題組根據(jù)排氣管內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)電器結構。研究采用內置的軸向網狀熱電轉換模塊和多級轉換結構,冷源為分離式循環(huán)水冷,直接接入發(fā)動機的水冷系統(tǒng)。這樣做可以獲得較大的溫差、較高的熱電偶集成度,并降低對熱電材料λ值的要求,強化了速度