汽车余热发电的节能途径温差发电技术及其在汽车发动机排气余热利用中的应用

汽车余热发电的节能途径温差发电技术及其在汽车发动机排气余热利用中的应用

汽车工业是中国经济和贸易的主要支柱之一。随着我国汽车工业的发展,车辆消耗的能源与日俱增,车辆的节能也越来越受关注。然而,以现有的内燃机指标评估,燃油中60%左右的能量没有得到有效利用,绝大部分以余热的形式排放到大气中,造成了巨大的经济损失和严重的环境污染。因此,利用发动机余热发电是一个很好的节能途径。由于汽车的结构紧凑、发动机排气量小,车用发动机余热的利用相对于大型工业设备余热回收来说难度更大。20世纪70年代以来,一些工业发达国家的学者提出了采用温差发电器(ThermoelectricGenerator,TEG)来解决上述问题。TEG依据热电直接转换原理,具有结构简单、无运动部件、无噪声等特点,在低品位热能利用方面具有独特的效果;把它安装在内燃机的排气管上,能够将内燃机运行余热直接转换为电能。温差发电的研究包括了热电器件和发电器两个方面,是热电学的一个重要领域。1材料和热能变换材料1.1热电材料配比热电转换器件是温差发电器的基本元件,它的功能是将热能直接转换为电能,效率取决于热电极材料的性能和器件的设计制造水平。自从20世纪50年代前苏联科学院的Ioffe院士提出了半导体热电理论以来,用于温差发电的热电材料都是半导体材料,如用于低温(300℃以下)热电材料Bi2Te3及其固溶体合金、中温(300℃～600℃)热电材料PbTe-SnTe、高温(600℃～1000℃)热电材料SiGe、MnTe、SiRe2、CeS等。衡量热电材料优劣的指标为“优值”Z=α2σ/λ(式中α为塞贝克系数,σ为电导率,λ为热导率,Z的量纲为K-1)。研究中也常使用ZT值(称为无量纲优值,T为绝对温度)。能够用于温差发电的材料既要有较高的α、σ值又要有较低的λ值,这是一个十分苛刻且矛盾的条件,以至于室温下热电材料ZT的最高值约为1的状况至今未能突破。因而,寻找高优值的热电材料,一直是热电学研究的重要内容,这些研究主要包括:(1)热电新材料的研究,如稀土硫化物、硒化物、富硼固体、方钴矿型化合物的研究。这些研究表明,通过控制最佳载流子浓度或通过固溶掺杂来解决良电导和热绝缘的矛盾是有效的。(2)热电材料新结构的研究,包括梯度材料、复合材料和量子阱结构的热电材料等。热电材料的梯度结构包括材料载流子浓度的梯度化和层叠热电材料结合面的梯度化。合理的梯度化结构可以使材料适应内部温度梯度的变化,使得最佳的材料能运用在最合理的温度区域,提高总的转换效率。(3)热电材料制备新工艺的研究,常用的方法有熔体生长法和粉末冶金法,以及微型半导体热电器件采用的气相生长法。制备方法与工艺的完善与否,对材料的性能影响很大。粉末冶金法适用于大规模生产,而且原材料浪费少,获得的材料机械性能好,是一种有前途的适合实用普及的工艺方法。1.2车辆余热转换模块单个热电转换器件的转换功率很小,需要经串/并联组合制成转换模块,并实现产品的标准化、系列化。图1为美国Hi-Z公司为车辆余热转换研制的一种热电模块,由71对碲化铋热电偶联接起来,固定在一个被称为“蛋架”的框架上;模块在温差200℃时输出2.38V/19W电流。该公司已研制了4种不同规格的产品,形成了一个系列,输出电功率从2.5W至19W。2温差检测装置结构2.1“两种式”热电转换模块的比较温差发电器的结构取决于热源特征、散热方式和温度分布,以及发电器所用热电偶的性能和排列情况。目前温差发电器主要有平板式和圆桶式两种。平板式温差发电器的热电转换模块适合平铺在矩形通道上,形成类似于太阳能电池阵的热电偶阵,运行时热流从通道内流过,经壁面向转换模块传递热量。圆桶式温差发电器表面铺设的热电偶有一定的弧度,一般用于较大型的结构上。一个典型的台架实验装置如图2所示,图中柴油机排气管通道上固定的是一个温差发电器实验装置,可以看出它的矩形结构和连接导线。2.2积分热可选用机液压车用温差发电器的热源是发动机排气和冷却水带走的余热,前者的温度可达800℃左右,后者一般在100℃以下。温差发电器冷源的形式有空气自然对流散热、强迫通风散热、水冷散热和环流散热4种。现在设计的热电偶臂长仅为3～10mm,冷热端间距很小,所以,适当的冷源形式是获得较大温差的关键因素之一。2.3机械固定法目前,温差发电器的结构趋向通用化和组件化,热电模块固定在发电器外壁,固定方式主要有粘结法和机械固定法。图3为机械固定的一个实例,其中的热源是一条矩形管道,在它的外壁上布置有若干热电模块,模块的外侧设置了冷却水道,并用支架和弹簧压紧。这种方法相对于粘结法来说,便于更换与检修,但是结构比较复杂,接触热阻也比较大。2.4不同温区内设置热参数设置充分利用温差的另一个措施是使各热电模块工作在最适当的温度范围内。由于排气管内的热流体沿其流动方向温度在不断下降,因此,沿流动的方向将通道划分成若干温度区域,在不同的温区内设置不同材料的热电模块,使其工作在适当的温度下,从而获得最大的转换效率和输出功率。3构建调湿式调空小组2.2模型试验装置近年来,车用发动机余热温差发电技术发展很快,国内外许多高校、科研机构、军队、有关企业、汽车公司都有研究成果的报道。一些试验装置已经进行了实验室台架试验、道路试验以及耐久性试验,转换规模在数百瓦至1500W之间。图4为日本Nissan汽车公司研究中心研制的温差发电器,它的外形尺寸为440mm×180mm×170mm,接在3000cc汽油机的排气管中部;所用的热电偶直径20mm、高度9.2mm,每8对组成一个模块,每个模块输出1.2W电能,总共72块模块敷设在内通道的矩形外壁上。温差发电器的外部采用水冷却,最大温差为563K。在道路实验中,当汽车以60km/h的速度爬坡时,发电器可转换排气中11%的热量。美国Hi-Z技术公司Bass等人1984年发表了关于1.5kW温差发电器设计的论文,1990年以后,在美国能源部的连续资助下进行了载重车柴油机排气余热温差发电的研究,2001年在康明斯250kW(335Hp)柴油机上进行了台架和道路实验。试验在排气管上用72块HZ-14模块按圆周排列布置,冷端用水冷却,形成了250℃～270℃温差。试验所用的温差发电器输出电功率随温差变化情况见图5。图6为输出电功率随发动机负载变化的规律,图中不同的斜线代表不同的转速。可以看出,输出功率主要依赖于发动机负载的变化,而受转速变化的影响较小。试验装置共产生30V/1kW的直流电,成本约为1000美元,回收需要一年半左右的时间。这一装置的性能处于领先,但是获得的总功率不算高,到现在还没有进一步实用的报告。文献对国产解放141汽车排气余热的温差发电做了研究:原车发电机输出功率为350W,额定电压14V,额定电流25A。计算表明,当使用960个碲化铅热电偶,高温热源为500℃,低温热源为100℃时,只要有16610J/s的排气余热就能转换得到与发电机的输出相等的电量。而台架实验测得该车发动机在最低转速时排气的温度和流量已经能满足这些要求,说明了排气余热的温差发电具有实用性。俄罗斯联邦科学中心物理与能源工程研究所(SSCRF-IPPE),进行了高寒区载重车发动机的直接发电和取暖的研究。实验对象为154kW(210hp)的俄制发动机,辅助的温差发电器有平板式和圆柱式热电模块两种形式,产生600W电能,可以满足全车用电,尚有余热供给驾驶室取暖。4治疗温升和悬架的研究研究表明,温差发电系统的温差越大、热源温度越高、材料优值越高,发电器的效率就越高。因此,提高温差发电器性能的方向是开发高优值的热电材料和高效的转换器结构。由于近50年来,热电材料的研究没有取得期望的进展,因此,在现有材料的条件下开发高效温差发电器就成为了主攻的方向。在这方面融合了先进设计方法和多学科的基础理论,如:(1)优化设计研究。热电偶的优值除与电极材料有关,也与电极的截面和长度有关,不同电阻率和导热率的电极应有不同的几何尺寸,只有符合最优尺寸才能获得最佳的器件优值。同时,设计中还要对温差发电器的负载等性能以及结构进行综合考虑,采用优化、仿真和CAD等现代设计方法进行优化设计,是今后研究的重要课题之一。(2)可靠性研究。可靠性较高一直是半导体热电器件的最主要的优点之一,但受设计、制造和使用环境等因素的影响,器件的稳定性和使用寿命有明显的差别。有关失效机理的分析和实验表明,半导体热电器件失效的主要原因是热电偶接头处发生的物质迁移,接头处焊料或导流片的原子通过固体扩散的形式进入到电极材料中,成为额外的掺杂原子,以及材料中掺入的杂质原子析出等改变了材料特性等。这些问题尚有待解决。(3)传热学的研究。温差发电器在设计中,需要根据热、冷源的形式,研究它的传热方式、接触热阻、散热形式,几何形状及强化方法等问题。这方面的研究已经成为温差发电器设计的基础之一。(4)多场协同转换器的研究。华南理工大学课题组根据排气管内热流的换热形式和热电偶回路的基本定律,提出了一种全新的温差发电器结构。研究采用内置的轴向网状热电转换模块和多级转换结构,冷源为分离式循环水冷,直接接入发动机的水冷系统。这样做可以获得较大的温差、较高的热电偶集成度,并降低对热电材料λ值的要求,强化了速度