汽车废气热能发电的系统设计

1、汽车废气热能发电的系统设计邓庆鹏 文志华 徐裕权（华南农业大学工程学院08级指导老师：郑丁科温威）摘要：利用热电材料直接将热能转化为电能的发电技术，设计一 个能量转化系统，具有无运动部件、体积小、重量轻和可靠性 高等特点，是绿色环保的发电蓄能系统。关键词：节能环保热电转换汽车废气热能一、项目依据及意义当前，伴随着国家低碳生活的u渐重视，我们需要对能源的利用效率及环侃方ifu 给予更多的支持和关注。据现冇的资料显示，汽车发动机排气所带走的热呈占总热s 的40%,当中前排气管达300-400°c,很显然废气中蕴含很大的能量社n.没有很好地 被利用，造成能m臼白流失。同吋，我们也注意到在円

2、益追求人性化的汽车上，所使 川的电气设备h益增多，间接或直接加重燃汕的消耗，对环境造成进一步的污染。为 此，我们将设计一种热能发电系统，由排气管屮的热能来发电蓄能，供车载电器使用， 实现能源的二次利用。二、项目设计思路汽车废气热能发电系统的设计思路：利用热电模块，一种根裾温差来产生电能的 材料，安装在汽车的排气歧管和前排气管上，热电模块一則依附在管的表而上，w外 一而至于空气当中，由此溢差产生的电能存储蒂电池上，用来驱动半导体电子制冷车 载冰箱工作。系统分为两个环节：第一是废气的热能发电；第二是运用己蓄的电驱动 冰箱的工作。以此充分利川废气的热能，达到废气再利川。三、设计总体方案（一）热电模块

3、发电的原理热电模块发电是利用材料的seebeck效成，通过载流子（电子和空穴）进行能量 的输送。如图1所示：将两种不同类型的热电转换材料n和p的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给予以低温。山于高温端的热激发作用较强，此端的空穴和 电子浓度比低端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散。从 而在低温开路端形成屯势差。将许多对p型和n型热电转换材料迕接起来组成模块， 就可以彳!到妃够高的电压，形成一个温差发电机。这种发电机在冇微小温差存在的条 件下就能将热能直接转化为电能，且转换过程中不需耍机械运动部件，也无气态和液 态介质存在，因此适应范围广，体积小，熏m轻，安全可靠，对

4、环境无任何污染，是 十分理想的电源。热电模块发i原理热电模块发电原理叁冷源型号typenuiber电堆数couples最大电流imax(a)馨最大产冷量qcmazat:o(w)-最大温差tmaxqc:0cc)外型尺寸 diiensions (mm)电粗q)ziv重畳(g)th=2m度7*cl置htec1-03130t12531303.564.26535355.00. 0936tec1-03140t1254085.56335354.50. 0733tec1-03150t12550106.935354.20. 0531tec1 - 03160t1256064.235354.00. 0430tec1

5、-03180t1258085.535353.80. 0329tec1-03140t12531403.585.56540405.00. 0737tec1-03150t12550106.96340404.50. 0534tec1-03160t12560128.340404.20. 0432tec1 - 03180t12580171.140404.00. 0331tec1-031100t125100213.940403.80. 0330注：电阻、高度及重重为参考值，重重中不包括软引线重重。热电模块的相关技术参发电电压与温差成正比例关系l8 1.6 1.4 -2 0 8 6 4 2#«1 1

6、 o o o o a/stf5264 76 88 100 112 124 136 148 160溢度差/t不同温度放选择不同的热电材料表1在不同溫度范围可选择的热电材料温度类型温度范围/t热电材料温温温低中离300300-600600 1 000bi2tr3及艽固溶体合金pbte sntesige、mnte、sire2、ccs 等（二）汽车废气热能发电的系统设计我们特定地设计了-种热能发电蓄能电路。我们将热电模块安装于前排气管（如闷小）， 这里不仅冇相对较大的安装空间，而.fl温度达到所需要求。但为了不让加装热电模块后影响 前排气管的散热，从而破坏前排气管的丁.作环境，异致汽车工作异常。因此，

7、我们将热电模 块设计成环状形式（如图示二），以一定间隔嵌套在前排气管上，热电模块与前排气管之间加 妓导热贴片，这样不但能够高效率地吸收前排气管的热量，而tl不影响其有效散热。由于每 一个嵌套在前排气管的环形热电模块相当于独立的热能发电电源，当汽车在正常行驶时，发 动机运行工况多变等原因，导致前排气管外表面的温度不稳定，造成所产生的电压波动比较 大，使充电电路工作不稳定。为了消除影响，我们在设计电路里加入了稳压器，以使电压得 到稳定。示（一）示二冷端通过这样的方式，我们就能利用废气的热能来进行发电。更为重耍的是，我们能通过一 定量的实验及分析其数据，米判定热电模块环状的数呈与规格，进而控制其输出

8、电压和功率， 以匹配各种车载电器设备。例如，雨刮、音响设备、点烟器、倒车雷达等。而tl,为了方便 讲解这套汽车废气热能发电系统，我们现以车载冰箱为例。车载冰箱实用性好，似至今仍未 得到广泛使川，主要足由于其工作吋汕耗较人。当采川这食系统便能解决这一难题。以车载冰箱为例设计的电路：前排气管表而温度达到300-400'c,这符合设计要求。我们将发电电路的所冇环形热电模 块分为两纟ii （如图示三），第一纟h为直接m车载冰箱供电（靠近发动机端，温度较高，能满足 直供要求）；第二组为向蓄电池进行充电。在直接供电部分，我们把该组的环状热电模块进行 串、并联，串联能够增大艽输出电压，并联可以增加k

9、输出电流，以保证足够的输出功率， 同时加装上稳压器，力求所产生的电压与电流符合车载冰箱的丁作要求。而在蓄电池蓄电部分，热电模块采取串联的方忒，以增大其输出电压，同吋也串上稳压器，形成一个稳定的电 压，向蓄电池供电。对于以上两种独立的工作电路，我们采川温度控制开关米进行控制。当 前排气管温度达到要求时，直供部分与蓄电池蓄电部分这两条电路同时接通。汽车熄火后， 前排气管温度下降到设定温度以下，温度控制幵关断开以上两条电路，而接通由蓄电池供给冰箱的电路，保证冰箱能在一定吋间里继续工作示（三）总电路设计如下km2km1手动开关ixkil汽车废气热能能量管理系统电路说明：当使用车载冰箱吋，温度控制开关控

10、制着各电路的接通。当前排气管温度低 于所设定的温度，此吋1，3端u接通，车载冰箱由蓄电池供电；当前排气管温度髙于所设定的 温度时，1，2端口接通且3,4端ii也接通，此吋车载冰筘由热电模块组1直接供电，而热电模 块组2向蓄电池充电。控制电路如阁：km2继电器温控开关温控开关继电器控制电路具体工作过程如k:当汽车启动吋，前排气管巾环境温度到达所耑的工作温度（这段吋 间大概为20秒，可以忽略不计），这吋，温度控制开关使直供部分和蓄电池蓄电部分同时接 通，直供部分就供给冰箱，蓄电部分就为蓄电池蓄电。驾驶者需要使用冰箱时，只需按下开 关按钮，冰筘即能正常工作；当驾驶员将汽车熄火后，当温度下降到设定温度

11、吋，由于直供 电路产生的电能不能保证电冰箱的:常工作，温度控制开关切断直供屯路，而接通蓄电池匈 冰箱之间的电路，此时冰箱直接由蒂电池供屯，能维持一定时间内继续丄作。这样的电路没 计能使汽午电器减小对发动机的依赖。系统所产生的多余电能，用蓄电池存储起來，以达到 环保的要求。!1!可行性分析:（1）节能环保分析：由于利川的是二次能源，符合绿色环保低碳的生流。同吋能存蓄一定 能量，以减少能量的流失。（2）市场前景分析：热电材料造价合理，技术u渐成熟；热能发屯技术逐渐得到重视，相 信这套汽车废气热能发电系统能得到广大汽车用户的认4。（3）实现的可能性分析：前排气管具有热m采取方便，温度相对稳定，且安装空间大，便 于安装与拆卸，十分合适安装热电模块。同时方便线路布置，对汽车总体结构影响不 大。根据我们所掌握的信息和技术，完成这套系统的制作相信不会遇到很大的障碍。五、项目的特色和创新之处1. 本系统貝.有清洁、无噪音污染、无寿害物质排放、高效、寿命长、坚固、可靠性高、稳定 等一系列优点。2. 符合绿色环保要求，实现了能源的二次利用，对国w经济的可持续发展具有重要的战略意 义