发动机热管余热发电装置的设计

发动机热管余热发电装置的设计

随着社会现代化的发展，国际能源需求日益增加，能源短缺问题日益严重，已成为限制区域发展的瓶颈。在我国虽然能源储量较丰富,但由于人口众多、社会发展迅猛,我国的剩余资源储量已经亮起了警灯,节约能源已是当务之急。近年来,随着人们环保意识的增强及其对传统能源观念的转变,寻找高效率、无污染的能源二次利用以及能量回收转换的方法,已经成为当今能源科学急需解决的问题之一。本文就发动机排出高温废气的热能转化为电能进行了一些简单的研究探讨。1汽车余热余能目前,汽车的动力转换效率仅在40%左右,其余能量均变成热量散失到空气中。汽车发动机的排气压力大,温度高,由发动机的热平衡试验知道,发动机排气所带走的热量占燃料燃烧热的30%-40%左右,排气温度可达800℃左右。在青藏高原上,有的司乘人员利用汽车发动机的余热装置煮饭菜、烧开水,汽车余热满足了司乘人员用餐、饮水以及取暖的需要。这些大量的热能散发到空气中,造成了巨大的能源浪费。如果能将这部分能量的10%利用起来,定会带来可观的经济效益和良好的社会效益。2热电转换材料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,效率取决于热电材料的性能和器件的设计制造工艺。热能转换为电能的现象称为塞贝克(Seebeck)效应,温差发电是利用热电材料的Seebeck效应,将热能直接转换为电能的一种方法。目前温差发电的转换效率在10%以上。评价材料的热电转换效率,一般用温差电优值来表述:=2/,(为塞贝克系数,是材料的电导率,为材料的热导率),的量纲为-1,为了计算方便,一般都将作为评价材料温差电转换效率的标准,称为无量纲优值。而要提高材料的热电转换效率,关键在于寻找高优值的材料。目前研究较成熟的并已应用于热电设备中的材料主要有Bi2Te3/Sb2Te3、PbTe和SiGe合金。Bi2Te3/Sb2Te3适用于低温,在室温附近≈1,是目前室温下值最高的热电材料,主要用于制冷器。PbTe适用于400~800K,在600~700K温区,≈0.8,用于温差电源。SiGe合金主要适用于700K以上的高温,在1200K时,无量纲的温差电优值近似等于1,是当前用于航天器温差电源主要使用的热电材料。SiGe合金的无量纲优值在1左右,所对应的热电转换效率约为10%左右,若想提高其效率,就必须进一步提高其热电优值。而提高值,就必须要求材料具有尽可能高的功率因子和尽可能低的热导率。对于同一种材料而言,这两者相互关联。近几年来,国际热电研究领域已经取得了一些可喜的进展。由于SiGe合金可以通过掺杂分别制成p型和n型材料,并且可以通过调整组分比、掺杂和改进制备方法等一系列措施,进一步提高其值还具有很大的发展潜力。董桂田对国产解放141汽车排气余热温差发电的研究表明,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原车发电机输出相等的电量。美国HIZ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。另外传统的碱金属热电偶也是很好的转换器件。2.1极限配方2.5%-3%硅正极成分是9%-10%铬、0.4%硅,其余为镍,负极成分为2.5%-3%硅,<0.6%铬,其余为镍。这类热电偶优点是有较强的抗氧化性和抗腐蚀性,价格便宜,可在1000℃以下长期连续使用。2.2极限考铜硅正极镍铬成分为9%-10%铬,0.4%硅,其余为镍;负极考铜成分为56%铜和44%镍。镍铬/考铜热电偶的最大优点是热电势大,价格便宜。2.3镍的合金正极为铜,负极为60%铜/40%镍的合金。其优点是灵敏度较高,热电极容易复制,价格便宜,低温性能好,适用于300℃以下的低温转换环境。2.4多层tefgm材料主要是利用晶体结构和电子结构的差异,制造出不同材料以适合于不同温区,采用SiGe/PbTe/Bi2Te3组成的多层TEFGM可以在很大的温度范围内(室温到1200K)获得较大的ZT值。3实施方法3.1利用热管内的余热利用需要经串/并联组合制成转换模块,才能够达到实用状态。尽管温差半导体、热电子发电器、光伏发电器和碱金属热电转换器的工作原理各不相同,适用的热源温度差异也很大,但都能将热能转换成电能。它们都遵循在一定的温度范围内,转换器的输出电流与器件冷热两端温度差大小成正比的规律。为了有效地利用排气管排出气体的热能,提高热电转化效率,可以用如下几种办法解决:(1)延长排气管的长度;(2)在接触热气一侧增加吸热片来扩大吸热面积(见图2)。热电偶型可以将高温端直接放入排气管内,使其充分吸收热量;半导体及其它类型的可以在高温吸热端加入手指形吸热端子加强热量吸收。(3)利用车体及空气对热电转换器低温端进行冷却。这种办法具有结构简单,成本低,经济耐用等特点(见图1)。(4)加入水循环冷却系统(见图3),船用发电装置低温端可以直接用水进行冷却,更加方便实用。3.2基于车辆和船只等发动机的材料形状做成圆形或者椭圆形等不同形状的热电转换装置,安装在发动机上即可使用。输出的电力可以直接充入蓄电池或被其它电器利用(如图1)。3.3冷冷却端结构根据图1所示,发电装置的本体2为管状结热端4,低温冷却端1和高温吸热端4均设计成翅片型结构,利用车体及空气对热电转换器的低温冷却端1进行冷却,电流输出端子5分别接低温冷却端1和高温吸热端4。3.4采用热压冷却水系统参照图3,本实用新型的低温冷却端1还可设计成水冷式结构,在热电转换器主体2与低温冷却端1之间设有冷却水通道6,可与发动机的水循环冷却系统连接,船用发电装置低温端可以直接用水进行冷却,更加方便实用。3.5热电转换装置将上述材料按照车船排气管的形状做成圆形或者椭圆形等不同形状热电转换装置(参见图2),安装在车船上即可使用。输出的电力可以充入蓄电池或被其它用电器直接利用(参见图4)。4热电转换技术发动机的废气余热利用在我国还是一个新兴的科技领域,温差发电器用于发动机的余热利用具有广泛的应用前景,是发展的必然趋势。利用热电材料的将发动机排气管余热能量的10%转化为电能,其节约的能源总量也是巨大的。热电材料性能的不断提升,加之全球性的能源危机及环境保护的需要,利用热电转换技术,进一步将大量废热回收转为电能的方式,普遍得到日、美、欧等发达国家的重视。这种热电转换装置,工作时无噪音