汽车尾气温差发电系统

汽车尾气温差发电系统
Automobile exhaust thermoelectric power generation system
摘要 (Abstract)：
汽车尾气会以热的形式大量散失, 散失的热量在100瓦的量级。

本项目基于微电脑控制技术将汽车发动机尾气原本以余热直接排放到大气中的能量，运用半导体温差发电组件转化成电能回收利用。

并且将发电核心装置和汽车三元催化器结合。

使此装置在现有车辆上应用的可行性大幅度提高，并且弥补了三元催化器在汽车启动时催化效率低的缺陷。

发电核心模块为全固态结构，正常使用时间达10-15年。

基于开关稳压电路设计的稳压模块为车载电器提供稳定的12V电源。

发电组件在为车载电器供电还有盈余时对蓄电池充电。

并且发电组件的工作情况，发电功率等信息通过显示器显示。

同时发电组件和发动机三元催化器结合，在发动机启动时蓄电池为发电组件供电，发电组件具有制热功能可以为三元催化器加热，缩短发动机起动时三元催化器达到正常催化效率温度的时间，从而提升三元催化器在发动机启动时的催化效率。

当发动机正常工作时发电组件高温面的温度符合三元催化器正常工作温度范围。

所以两部分结合既可以提升三元催化器在发动机起动时的催化性能，又方便此系统在现有车辆上安装。

关键词（keyword）:汽车尾气发电；温差发电；三元催化器；节能减排。

1、引言（Introduction）
1.1. 课题的背景和意义
当前, 我们社会面临环境恶化和能源危机的威胁, 人类的可持续发展需要对绿色能源技术的发展给予更多地关注｡这使得温差发电技术越来越引人注目, 该技术是一种固态能量转换方式, 能够直接将热能转化为电能｡
半导体温差发电组件无机械转动, 因而无噪声､寿命长､工作稳定可靠､轻便,且可利用各种设备的废热、余热等, 因而适用于军事、勘探和边远地区等的小功率发电和深空探测｡另外, 半导体发电模块可广泛用于小家电制造、仪器仪表、玩具及旅游业。

由于传统能源价格日益高涨，废热回收利用愈形重要，热电废热回收技术可望继太阳光电技术之外，成为下一波新兴产业。

其技术特点:利用汽车尾气发出的电给汽车电瓶充电，供应用电系统
1.2. 国内外研究现状及我国的研究近况
人们对能源的不断的需求，以及环境保护意识的日益增强，使得各国科学家不断探索新的能源，例如：风能、太阳能、潮汐和地热发电等。

科学家开始尝试利用汽车尾气的余热发电，而汽车的余热发出的电相当于有“1000节AA电池”。

美国加州的热力生命能量公司主要生产工业用温差发电系统。

该公司目前也在研制能够在只有几摄氏度温差环境下工作的发电机，这与汽车尾气发电的原理大致相当。

将1000台这样的发电机组合在一起，就能够提高能量输出。

该公司已经研制成功的原型系统可以在50度温差条件下发电100W，足以驱动一个心脏起搏器或者生物传感器。

而美国北卡三角州国际研究院采用纳米材料制成1 cm3大小的发电装置，可以在0.9oC温差范围内，输出144W电量，考虑到能量损失，最终输出电量也达到了67W，足以维持心脏起搏器正常工作，这块贴片输出的10~20 mw的电量，也可以为充电电池补足3次电力。

1.3. 汽车尾气温差发电
早在1821年，德国物理学家塞贝克发现了温差电势，温差电势的大小，同被加热的接点（热端）和没有加热的冷端的温度差成正比，而且与两种导体本身的材料有关。

基于此原理的热电偶作为工业测温的主要探测头。

利用“塞贝克效应”原理来开发发电电池有着广阔的前景。

作品利用基于塞贝克效应制成的半导体温差发电芯片对汽车发动机尾气热
能回收利用，遵循基本的科学原理。

2、基本原理 (Fundamental)
2.1. 塞贝克效应
图1a 图1b
如图1a所示，A、B两种不同导体构成的回路，如果两个结点所处的温度不同 (Ta和Tb不等)，回路中就会有电动势存在。

这一现象是德国物理学家塞贝克发现的，被称为塞贝克效应，它是温差发电技术的理论基础。

（a）半导体效应
产生Seebeck效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。

例如p型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷（热端有负电荷，冷端有正电荷），同时在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势。

自然，p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端（Seebeck系数为正），相反，n型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端（Seebeck 系数为负），因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。

可见，在有温度差的半导体中，即存在电场，因此这时半导体的能带是倾斜的，并且其中的Fermi能级也是倾斜的；两端Fermi能级的差就等于温差电动势。

半导体的Seebeck效应较显著。

一般，半导体的Seebeck系数为数百mV/K，这要比金属的高得多。

（b）金属效应
因为金属的载流子浓度和Fermi能级的位置基本上都不随温度而变化，所以金属的Seebeck效应必然很小，一般Seebeck系数为0～10mV/K。

虽然金属的Seebeck效应很小，但是在一定条件下还是可观的；实际上，利用金属Seebeck效应来检测高温的金属热电偶就是一种常用的元件。

（c）塞贝克效应电势差的计算公式：
S A与S B分别为两种材料的塞贝克系数。

如果S A与S B不随温度的变化而变化，上式即可表示成如下形式：
图1b为简单的温差发电元件（或称温差电池），N型半导体1和P型半导体2在一端用金属片3连接起来，另一端接负载电阻R。

当一端加热至温度T1，而另一端保持在温度T0时，回路中产生温差电动势，使负载电阻上有电流I流过。

温差发电效率的定义是:外电路中得到的有用电能I2R与热源所消耗的能量之比。

热源消耗的能量包括以下几项：
①在热端吸收的珀尔帖热Q1：Q1＝α2T1(T1-T0)/(R+r)
②由热端传导到冷端的热量Qm：Qm＝K(T1-T0)，式中K为热导
K=(λ1s1+λ2s2)/l，式中λ1、λ2分别为两臂的热导率。

③温差电池内部，电流I流过所放出的焦耳热中，有一半将转移到热端，因而把功率还给热源。

温差发电机的效率主要取决于热端和冷端的温度和温差发电材料的品质因数Z，Z值还强烈地依赖于温度，因而对于不同的工作温度需要选取不同的材料。

热电转换器件是温差发电器的基本组件，能将热能直接转换为电能，其效率取决于热电材料的性能和器件的设计制造水平。

把一只P型半导体组件和一只N型半导体组件通过连接片连接起来，当接头处存在温差和热量的转移时，按照塞贝克效应就会有电动势产生(图1b)，把若干对半导体组件在电路上串联起来，而在传热方面是并联的，这就构成了一个通用的热电转换器件，其结构如图1c所示。

在有温差存在的条件下它就能将热能直接转化为电能，且不需任何运动部件，也无气体或液体介质存在，安全可靠，对环境无任何污染，是十分理想的电源。

2.2. 温差发电器
单个热电转换器件的转换功率很小，需要经过串/并联组合制成温差发电器，实现标准化、系列化。

温差发电器的结构趋向通用化和组件化，并取决于热源特征、散热方式和温度分布，以及所用热电转换器件的性能和排列情况。

目前，温差发电器主要有平板式(如图2所示)。

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，运行时热流从通道内流过，经壁面向转换模块传递热量。

冷面
图2：半导体温差发电组件
（有字的一面为冷面，另一面则为热面，红色为正电极，黑色为负电极）
图3：尾气发电工作图
3、实验过程 (Design of the Device)
3.1. 温差发电组件的技术参数
最早用的温差发电材料为ZnSb合金 (P型)，用康铜片 (N型) 连接，其热端温度可达400oC。

Bi2Te3-Bi2Se3固溶体(N型)和Bi2Te3-Sb2Te3固溶体在0～300oC范围内具有较高品质因数，是较好的低温温差发电材料。

在300~600oC的中等温区, 常采用PbTe或PbTe与SnTe或PbSe的固溶体，600oC以上的高温发电材料有Ge-Si合金、MnTe等。

本项目选用PbTe热电材料。

实验采用的热电发电组件主要的技术参数如下：外型尺寸：40×40×4 mm3；最大耐温：600oC器件引线：250 mm 耐高温软线；最大发电电压：7.62 V （温差为200oC时）；最大短路电流：800 mA （温差为200oC时）芯片内阻：4.8 Ω；最佳匹配电阻：4.5-7.0 Ω
排气管
温差陶瓷片
散热片
图4：温差发电组建件
组件的构成如图4：主件采用汽车模型的排气管，两片温差发电组件包围构成。

由于排气管是圆形的，温差发电组件是平面的，为了增加接触面积，所以，增加了多边形铝制散热器，内涂导热硅脂，以增强导热可靠性。

使用铝制散热器可有效增强冷热两端的温差，温差越大，发电效率越高。

为了固定散热片，两端打孔用4根螺丝固定，增强发电的稳定性。

实验技术参数如下：
排气管外型尺寸：直径：40mm，表面积：125.6m2；温差发电片：边长：40mm X 40mm，2片，加热到150oC；散热器组件：规格：5cm×7cm×3.5cm，2个；
发电功率：1W。

考虑到今后的实际使用情景，我们设计了：
排气管外型尺寸：直径：60mm，表面积：2826m2；温差发电片：边长：40mm X 40mm，5片，加热到500oC；散热器组件：规格：5cm×7cm×3.5cm，5个；
发电功率：50W
实验表明，温差发电系统的温差越大、热源温度越高、材料优值越高，发电的效率就越高。

3.2. 汽车尾气温差发电发光灯珠实验
LED灯珠使用低压电源，供电电压在2～4 V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所；工作电流在0～15 mA，亮度随电流的增大而变量。

组件两面上的温差在0～60o C时，可产生电压0～3.8 V，电流0～3 A。

为了驱动LED，可以是发电组件的温差增大到60o C，也可以使4～5个温差发电组件的串联起来。

图5：热电发电片驱动LED的等效电路图
本实验的装置如图5所示，我们将6 x 4=24个LED灯阵列安装在插线板上，
电路为24个灯珠并联，供电为二个发电组件串联。

为了便于实验和减少组件，我们只用两个发电组件。

我们知道，LED驱动的门槛电压在1.8 -2.2V以上。

当LED的电压达到1.8 V以上，才有电流流过。

同样，在合理设计的情况下，温差发电还可以给电池进行充电啦！
图6：温差发电驱动LED的实验图
（a）实验过程采用2片温差发电组片
考虑到今后的实际使用情景，我们设计了如图6，LED完全点亮总电流500MA。

将2片温差发电片，加热到120oC，即可产生2V电压，400MA电流，即可点亮80盏灯；如果加热温度越高，散热片面积增大，温差越大，发电量就越大。

3.3讨论部分
3.3.1 汽车尾气的排热量
汽车排放的尾气温度最高可以达到600℃～700℃, 发动机怠速运转时400℃。

对解放CA141汽车排气余热温差发电进行了研究。

研究结果表明，将60块热电转换器串联或串然后并联，能够满足额定电压为14V，额定电流为25A的交流发电机的功率要求。

杭州电子科技大学应用数学与工程计算研究所的刘斌和徐江荣对热电转换
模块在利用发电机废热时的摆放位置进行了研究，分析结果表明，排气直管出口处压力较大，有利于对流传热，将温差发电器安装在此处可以有效利用废气余热。

3.3.2 在近似长方形的尾气管上的散/集热效率
在同样截面积的情况下，近似长方形尾气管的周长更长，有利于集热器的与尾气管的接触和热量的收集。

3.3.3 经济性分析
据调查，以上海大约24000辆出租车，如果所有的这些车辆都是用我们的装置的话，那这些车辆的电瓶就不用汽油充电啦。

假如我们保守估计，一辆车辆充满自己的电瓶需要两个小时。

这段时间内燃油大约6L,我们将这个数字保守的估计，假如这其中只用2L汽油来充电。

假如说这其中现在汽油的价格为7.5元，也就是每天每辆车车辆能节省15元，一个月能节省450元。

上海大约有24000
辆这样一月就会节省1080万，这可不是一个小数目啊。

一年就会节省10000万元。

3.3.4 汽车三元催化器的工况温度分析
三元催化器是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。

由于这种催化器可同时将废气中的工种主要有害物质转化为无害物质，故称三元。

三元催化器对发动机排出来的废气进行催化转化,当发动机的空燃比控制在
理论空燃比附近时,其可以净化90%的CO和HC以及70%的NOx,净化效率是相当
高的,但是其高低受到温度的影响,只有当三元催化器达到起燃温度即250～300℃时才能有较高的转化效率,而汽油机冷启动后2分钟后才能达到此温度范围。

试验表明在汽油车上一个排放测试循环中,绝大部分污染物(约占总量的70%～80%)是在冷启动最初的2～3分钟内排出的。

在实车实验中，EURO-Ó循环测试催化器前的原始排放,在34s和65s后,其HC的排放值均超过了EURO-Ô和EURO-Ó标准限值,所以,必须采取措施提高三元
催化器的起燃温度。

3.4.5 电力发热加热三元催化器的可行性分析
电加热催化反应器主要用于控制冷启动的废气排放, 是满足美国加州标准中
LEV 和ULEV 的技术途径。

电加热催化反应器是利用电阻金属叶片置于催化器前端的进气流路上, 使电阻在电流通过时达到使排气升温的作用。

在汽车启动之前, 金属基体电加热催化转化器通常和二次空气泵联合使用, 以保障有充足的氧气
来氧化排气中的CO 和HC。

加热电流可以由汽车尾气集热发电系统存储的电能转
换供给, 通过电极加热叶片、金属压膜或金属基体。

金属基体需要在发动机启动之前加热10～20s, 发动机启动之后再加热20～30s以加热尾气。

4、课题的创新点 (Novelty of the Project)
作品利用基于塞贝克效应制成的半导体温差发电芯片对汽车发动机尾气热能回收利用,遵循基本的科学原理。

现有关于汽车尾气温差发电的研究大多都停留在理论研究层面，本课题在充分理论研究的基础上制作了性能可靠的样机，并且提出将尾气发电和三元催化器结合，在实现发电的同时又能提升三元催化器在发动机启动时的催化效率。

5、结论 (Conclusions)
本课题研究了基于温差发电原理，利用尾气的热量进行发电的能量收集系统，设计了三种结构模式，实验证明利用尾气的余热可以获得输出电压在1.65 V～3.3 V，可以驱动LED灯珠的发光。

由此可以研发各种微电池，与传统发电方式比较，温差发电技术结构简单，无机械部件，运行寿命长，可靠性高，绿色环保，能够满足对中小发电量的需求。

参考文献 (References)
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温差发电器及其在航天与核电领域的应用. 原子能源技术，2006(38)：42-47.
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