汽车尾气余热温差发电装置设计

汽车尾气余热温差发电装置设计

戴海燕，李淼林

(华南理工大学广州学院汽车与交通工程学院，广东 广州 510800)

摘要：为提高汽车发动机热效率和燃油经济性，充分利用汽车尾气余热，达到节能减排的效果，设计了一款平板式汽车尾气余热温差发电装置。首先介绍了温差发电基本原理，针对一般汽油机工作特性选择合适的温差发电片。其次运用CATIA三维软件建立尾气余热温差发电装置模型，通过选择温差发电片的安装方式和数量，为系统设计合适的电路，同时对装置的基本应用进行了简单分析。最后根据试验数据分析和计算，确定了该平板式汽车尾气余热温差发电装置的成本和可行性。计算结果表明：该系统的节油量为0.03L/h，若回收成本，需花4a左右时间。

关键词：尾气；温差发电装置；热效率

随着国民经济发展和人民生活水平的不断提高，车辆成为当今人类普遍使用的出行工具。截止到2015年，中国机动车保有量已达到2.7亿。虽然国家大力支持并鼓励新能源汽车的开发与使用，但目前还是以内燃机式汽车为主。据统计，燃油燃烧所产生的能量仅有40%左右用来克服汽车行驶时遇到的各项阻力[1]以驱动汽车行驶，绝大多数的能量没有得到有效利用，而是排放到大气中白白浪费。如果能将发动机的尾气产生的废热回收，利用温差发电装置将发动机排出的废气产生的热量转换为电能，在一定程度上能够提高发动机有效热效率和燃油经济性，达到节能减排的目的。

1 温差发电基本原理

温差发电技术实质是将高温热源和低温热源之间所产生的温差转换为电能的技术，即Seebeck效应。如图1所示，将P、N两种不同的半导体材料形成PN结，若THJ接头和TCJ接头分别处于不同温度，形成一定温差，则在闭合回路的电路中将有电流产生[2-3]。

Seebeck通过多次实验发现，在一定的温差范围内，温差发电产生的电动势E与冷热两端温差成正比[4]，即：

E=αPN(THJ-TCJ)

图1 Seebeck效应

αPN=αP-αN

式中：THJ为热端温度；TCJ为冷端温度；αPN为半导体相对Seebeck系数；αP和αN为半导体P极和N极Seebeck系数。由于热电材料发电效率不高，单个PN结产生的电动势比较小，如果需要较大的电动势或电流，可以按照需求将多个PN结串联或者并联起来[5]。

2 汽车尾气余热温差发电装置设计

2.1 温差发电片选择

发电片热电转换效率主要取决于材料和结构尺寸。目前，温差发电片主要供应商有美国Amerigon、Ferrotec、Hi-Z，日本的东芝、Denso、小松，以及国内的江西纳米克等[6]。表1是某些温差发电组件的部分参数。考虑到各种条件限制，并结合汽车尾气排气温度需要，选择某公司生产的内阻3.3Ω温差发电片TEG1-127-1.4-1.6。

表1 热电发电组件部分参数

型号HT6-12-40TEG1-127-1.4-1.6BT-18/4热电偶尺寸(长×宽×高)/mm1.35×1.35×1.601.40×1.40×1.605.00×5.00×6.00热电发电组件高度/mm3.84.58.5热电偶数量/个12712783高温面最高温度/℃160～170200270

2.2 汽车尾气余热温差发电装置结构设计

温差发电器是温差发电系统的核心组成部分，传统的温差发电器主要由废热通道、冷却层、废热箱层、发电模块组以及各零部件的夹紧装置构成。由于温差发电片多数为长方形且不可弯曲，大多数汽车尾气排气管道却是圆柱形，造成温差发电片无法直接安装在尾气排气管中，因而需要设计平板式的温差发电装置。如图2所示，其工作组件主要包括三大部分，即热源集热部件、温差发电模块组件、冷源装置。

图2 平板式温差发电装置

图3中尾气通道箱体上下部分热层作为集热装置，尾气的热量通过集热装置传递给温差发电片(带剖面线的上下各4片)。组装温差发电装置前，需在温差发电片的两端面以及发电装置热层之间适量涂上导热硅脂，用于改善温差发电片的散热以减小发电片的热阻，同时还能保证发电组件平稳贴在高温物体表面。冷源装置与发动机冷却系统相连接，形成温差发电组件的冷端。利用汽车冷却系统作为冷端具有散热稳定且散热能力强的优点，温差发电组件的两端便能形成较为稳定的温差。

图3 尾气温差发电装置剖面图

2.3 各部件材料选取

1)热层箱体。

热层箱各部件采用螺栓紧固，内侧尾气温度较高，且该装置加装在汽车底部，环境较为恶劣，因此选取的材料要求必须具有较好的耐高温性能、抗热膨胀性能及耐腐蚀性能。由于热层箱相当于集热装置，故还需要具有较好的导热性能和较高的刚度。

304号不锈钢使用温度在-196℃～800℃之间，在大气中不仅耐腐蚀，而且弯曲、冲压等热加工性能优良，综合考虑后选择304号不锈钢作为热层箱体材料。

2)冷层箱体和进出气歧管。

冷层材料和进出气歧管材料的选取基本与热层材料选取一致，综合考虑选取304号不锈钢作为其制作的材料。

3)紧固装置材料的选取。

装置内部采取压紧紧固，因此选取的紧固装置材料需要具有较大刚度、韧性，且价格较为便宜。通过查阅与对比多种材料后，发现铸铁材料较为适合。

2.4 发电片组连接方式确定

目前车载蓄电池的电压有12V和24V，对于12V蓄电池而言，其充电电压一般为14V～16V。若能使单片发电片冷热端产生100℃的温差，可产生3.0V～4.0V电动势。因此将5片发电片串联(所得电动势约为15V)、4排并联，相邻两个温差发电片之间的距离为12mm，以布置导线和填充隔热材料。

2.5 温差发电装置位置确定

根据温差发电特性，发电片确定后，单个温差发电片产生的电压大小主要取决于热端温度高低(冷端用冷却水冷却，温度变化不会太大)，因此温差发电装置越靠近排气歧管越好。由于选择的发电片极限工作温度约为200℃，选择安装位置时还需在汽车尾气管道中选取一段温度合适且空间足够的位置[7]。综合以上的要求以及特点，该温差发电装置安装于排气消声器和三元催化器之间，并在热端外部添加隔热装置，使其传递到发电片的温度控制在200℃以下。

3 相关电路设计

汽车行驶工况随时改变，尾气的温度也随之变化，故输出电压并不稳定，且由于温差发电片材料和结构的限制，温差发电装置的输出电压较低，而汽车的蓄电池和用电设备等需要较高电压，故在电路设计中需要考虑到稳压和升压。图4所示是一种直流升压器线路图。其中有2个晶体管Q-1和Q-2，两者交替开关至变压器初级直流电压。变压器输入方波，B-1输出波经过整流、滤波后即可得到所需电压[8]。

图4 升压器线路图

4 试验设计与结果分析

4.1 试验设计

笔者设计的温差发电效果试验原理图如图5所示。

图5 温差发电效果试验原理图

热端以微电脑加热板加热(可以设定具体加热温度)夹在中间的铝储热块，冷端以冷却水进行冷却，回路中有负载，以电阻替代。电流和电压值的大小分别用电流表、电压表测量。为了保证结果的可靠性和真实性，进行多次试验最终取平均值。

4.2 试验结果分析

取一排5个串联发电片作为试验对象，冷源温度稳定在20℃，热源温度可通过微电脑加热仪进行控制，通过3次试验测量得到闭合电路中温差发电所得电动势与温差变化之间的关系(如图6所示)。

图6 发电片温差-电压关系图

对测量结果取平均值得到：若冷热两端温差达到100℃，则可产生约23.5V电动势、0.712A电流，从而得到将近10W功率。

5 成本与可行性分析

由试验结果可知，若单个发电片两端温差100℃时，大约产生2W功率，则5个串联、4排并联后，得到的功率为：

P=2×5×4=40(W)

汽油的密度ρ=0.725g/mL，汽油发电机耗油量q在460g/(kW·h)左右[9]，则整个系统的节油量为：

该系统的成本：温差发电片20×40=800元；集热装置冷却装置材料及加工费500元；其他费用200元。总成本费用1 500元。

假设该车每天行驶6h，一年行驶350d，按93#汽油5.5元/L计算，则成本回收时间为1 500/(5.5×0.03×6×350)=4(a)。

由此可见，应用温差发电原理对汽车尾气余热进行回收利用是可行的，但是装置成本回收时间需要4a，分析其主要原因为：第一，温差发电片的热电转换效率较低；第二，集热装置的集热效果有待提高[9]。

6 结束语

汽车尾气温差发电技术能切实有效地提高汽车尾气余热利用率，达到节能减排的效果，具有较好的市场前景和经济效益。在本设计基础上，进一步加强对温差发电材料的研究，提高其发电效率并降低成本，对汽车尾气温差发电系统进一步优化，将会使得汽车燃油经济性进一步提升。

参考文献：

[1] WENG C C,HUANG M J.A simulation study of automotive waste heat recovery using a thermoelectric power generator[J].International Journal of Thermal Sciences,2013,71(3):302-309.

[2] 涂小亮,倪计民,石秀勇.汽车发动机排气余热温差发电技术的研究[J].汽车技术,2015(4):22-25,40.

[3] WANG Y,DAI C,WANG S.Theoretical analysis of a thermoelectric generator using exhaust gas of vehicles as heat source[J].Applied Energy,2013,112(4):1171-1180.

[4] IN B D,KIM H I,SON J W,et al.The study of a thermoelectric generator with various thermal conditions of exhaust gas from a diesel engine[J].International Journal of Heat & Mass Transfer,2015,86:667-680.

[5] STEVENS R J,WEINSTEIN S J,KOPPULA K S.Theoretical limits of thermoelectric power generation from exhaust gases[J].Applied Energy,2014,133(6):80-88.

[6] 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.

[7] 蒋新强.汽车尾气半导体温差发电系统研究[D].广州:华南理工大学,2010.

[8] 徐仲伦.关于汽油机燃油消耗率换算公式的探讨[J].汽车技术,1980(1):9-16.

[9] 徐立珍,李彦,杨知,等.汽车尾气温差发电的实验研究[J].清华大学学报(自然科学版),2010(2):287-289,294.

The design of thermoelectric power generation based on automobile exhaust

DAI Haiyan,LI Miaolin

(Guangzhou College and College of Automotive & Transportation Engineering, South China University of Technology,Guangdong Guangzhou,510800,China)

Abstract：In order to improve the thermal efficiency and fuel economy of automobile engine,make full use of the waste heat of automobile exhaust for energy saving and emission reduction,it designs a flat-plate type of thermoelectric power generation(TEG) device.It introduce the basic principle of the TEG,chooses the suitable TEG sheet according to the operating characteristics of general gasoline engine.Then it establishes the device model of exhaust waste heat TEG in CATIA 3D software,describes the install method and quantity of TEG sheet,develops the suitable circuit for the system,analyzes the basic application of the device.Based on the data analysis and calculation,it illustrates the cost and feasibility of the TEG device.The calculation results show that the fuel saving ratio of the system is 0.03L/h and the device can recover the cost in 4 years,the TEG device has certain feasibility and extensive application prospect.

Key words：exhaust gas; TEG; thermal efficiency

DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2017.01.022

收稿日期：2016-03-25

基金项目：广东省质量工程项目(51-SC150201)；华南理工大学广州学院青年科研基金资助项目(XQ114015)

作者简介：戴海燕(1982—)，女，湖北红安人，华南理工大学讲师，华南农业大学博士研究生，主要研究方向为机械及汽车零部件设计。

中图分类号：TK411

文献标识码：A

文章编号：2095-509X(2017)01-0103-04