蓄电式汽车尾气温差发电数码设备供电系统

邹治风+++刘帅+++吴嘉坤+++齐明洋

摘 要：汽车尾气温差发电系统，是利用汽车尾气的余热发电的一种节能环保型发电设备。系统主要由三个组成模块：温差发电模块、控制模块、电能输出模块。温差发电模块是以温差发电片为核心，利用汽车尾气余热产生电能的热电转换模块，产生的电能一部分储存在蓄电池里，一部分直接输出，给外界数码设备直接供电；控制部分主要实现限流，欠压保护功能，保证设备的工作正常；电能输出模块则完成电能的直流稳压输出。

关键词：温差发电片；赛贝克效应；半导体；稳压模块

引言

现今，资源短缺成为了全球范围内重点关注的问题。据相关人员测算，地球上的煤炭资源、天然气、石油可供人们开采的时间分别不到100～150年、50～60年、30～40年，然而人们依赖的石油资源可供稳定开采时间不到30年。为了推广节能减排的绿色出行方式，研制了一套蓄电式汽车尾气温差发电及供电系统，用来回收汽车尾气中的废弃能量。一般来说，汽车的尾气温度最高可以达到600℃～700℃，怠速时也可以达到400℃，因此足够为温差发电装置提供热源。

1 温差发电的基本原理

温差发电主要利用的是塞贝克效应。在半导体中，热端的载流子向冷端扩散的过程就产生赛贝克效应。以下用P型半导体进行阐释，在开路状态下，热端浓度高的空穴向温度低的冷端扩散，因此在P型半导体两端上形成空间电荷和导体内部的垒势。通常来说，赛贝克系数为负时，指的是温差电动势方式向总半导体的低温端指向高温端，相反赛贝克系数为正。可见，在有温度差的半导体中存在电场，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。

2 系统主要构成图及其组成模块功能简介

2.1 系统基本构成

系统的主要模块构建如图1所示。汽车在行驶时汽车的排气管排出的高温气体作为热源给安装在排气管部位的圆筒式温差发电模块供热，而水循环冷却系统，利用水的良好的导热性，给发电模块的另一面降温，从而产生温差。发电模块在一定的温差下，产生的电能运转到控制模块中，经限流、欠压保护，再转送到电流输出模块，或直接给外界数码设备充电或将剩余的电能储存在蓄电池中。

2.2 主要模块功能简介

2.2.1 温差发电模块

将N型与P型半导体一端置于高温处，一端置于低温含处，就可以获得温差电动势：ES=α？驻T，式中α为赛贝克系数，单位为V/K，由材料本身的电子结构决定。在本装置中，采用的温差发电片稳定工作时的热端温度耐压值达到200℃，为装置提供80℃～120℃的温差时，温差发电模块能产生4.8～6V的电压。

2.2.2 控制模块

为了有效地保护电路，使电源能稳定地工作，设计了欠压、限流保护电路。控制电路的功能是当温差发电模块的输出电压低于4.2V或负载电流高于0.1A时，温差发电模块就直接停止对外供电，转由电量稳定的蓄电池对外供电。

2.2.3 稳压模块

在当今的数码设备中，绝大部分的数码设备充电时要求是5V直流电压与1A左右的电流。然而当汽车尾气温度波动时，产生的电压即在4.25～5.65之间波动。这就要求所选用输入为4.2～7V的DC-DC稳压模块，当温差发电模块产生的电压波动时，稳压模块也能输出5V（电压精度±2.5%）的电压、与2A的最大电流。

3 系统检测结果

实验过程中采用温度在420～550℃之间的酒精炉代替温度在 450～600℃之间的汽车尾气进行测试。测试对象将选用两台常用手机NOKIA N82和MOTO V8及一台iPodMP3来测试系统。实验结果如表1所示：

4 结束语

在21世界这个以绿色环保为主导的时代，温差发电的规模必将越来越大，但是因温差发电受环境因素影響十分大，各种温差发电系统的稳定性都会对用电电器造成影响，甚至造成电器失效，而且温差发电效率不高，这些都是制约当今温差发电规模的重要因素，也是当今急需解决的问题。但是这些不会阻止温差发电技术发展的脚步，它的发展范围一定会越来越广。

参考文献

[1]何元金，陈宏，陈默轩.温差发电-一种新型绿色的能源技术[J].物理与工程，2000，10.

[2]俞佐平.传热学[M].北京：教育出版社，1999，6.

[3]陈杰，李佳洪，邓方，等.一种带有柔性太阳能电池的球形探测器[P].发明专利，2013107521541.

作者简介：邹治风，吉林农业科技学院电气工程及其自动化系学生。

刘帅，吉林农业科技学院电气工程及其自动化系学生。

吴嘉坤，吉林农业科技学院电气工程及其自动化系学生。

*通讯作者：齐明洋，男，硕士，助教，吉林农业科技学院教师，研究方向：新能源与智能控制技术。