发动机温差发电模拟装置

朱仁桥 周佳骏 张古文

摘 要：温差发电技术是利用塞贝克效应直接将热能转化为电能的发电技术，具有无污染、可靠性强等特点，是绿色环保的发电方式。发动机温差发电装置是对温差发电这种新型能源技术的利用，有着广阔的发展前景，本文主要介绍温差发电的原理及相关部件的分析。

关键词：塞贝克原理；温差发电；温差发电

1 项目背景及意义

汽车工业是我国的支柱产业之一，现如今我国早已超过美日两国成为全球汽车销售第一大市场，在这样的发展速度下，我们不得不更多地考虑车辆与日俱增的能源消耗及造成的环境污染问题。以现有的内燃机指标评价，燃油中有60%左右的能量没有得到有效利用，绝大部分以热量形式排放到大气中，造成了巨大的能源浪费和严重的环境污染。

一般来说发动机气缸的平均温度达到几百摄氏度而车外空气只有10℃，将此温差利用塞贝克效应以温差发电片为核心元件以发动机气缸外壁为热量来源进行发电，储存电能，以满足部分汽车载用电器的用电，从而达到提高发动机综合能效，实现节能减排的目的。同时多余的电能可以另外储存作为混合动力车重要的电能来源。

2 原理分析

温差发电根据的是塞贝克效应，即不同的金属导体或半导体具有不同的自由电子密度，当两种不同的金属导体相互接触时，在接触面上电子就会由高浓度向低浓度扩散，而电子扩散速率与其接触区的温度成正比，因此只要维持两金属间的温差就能使电子持续扩散从而在两块金属另外两端的点形成稳定的电压，从而实现温差发电。

3 装置组成及核心部件介绍

温差发电装置主要由集热装置、温差发电片、散热器、升压装置及用电器组成。下面笔者将主要介绍其核心元件。

3.1 温差发电片

温差发电片是温差发电的核心元件，它的功能是利用冷热两端的温差进行发电，其理想模型如图1所示

它的一端处于高温状态，形成高温热源，另一端形成低温，则由于热激发作用，高温端空穴电子浓度高于低温端，因此在浓度梯度下空穴和电子就开始向低温端扩散，从而形成电动势。这便是温差发电片利用塞贝克原理将热能转换为电能的过程。

温差发电片的发电效率与热电模型的性能直接相关，选择适合的热电材料也一直是温差发电研究的重要内容。目前用于温差发电的热电材料大多是半导体，在不同的温差范围内热电转换效率较高的材料有以下几种，如表1所示。

显然，不同热电材料所承受最高温度是不同的，如果热源温度超过其最高温度则不能起到良好的发电作用，甚至会损毁设备造成一定的危险。所以装置在选择温差发电片的热电材料时要充分考虑并控制好热源温度，选择适合的热电材料。

3.2 温差发电片发电效果的相关分析

由于缺乏资金及实验器材，我们在此借鉴其他学者们所做的实验数据，这样同样也可说明一定的问题，如图2所示。

此图为温差发电器件最大功率与热源端温度及热源与冷源端温差的曲线关系。其中θh表示热源端温度，θc表示冷源端温度θh-θc为两端温差。则由上图分析可以看出，冷热两端的温度差越大其发电功率越高，因此想要提高发电效率需要两种途径来实现，一是在相同的热端温度下通过改进温差发电片的材料来提高温差发电的效率；二是增大并维持冷热两端的稳定的温度差。所以为了保证温差的稳定必须对冷端进行散热处理，为此我们需进行散热器的设计。

3.3 散热器

散热器的设计也是影响发电效率的重要因素，为了保持较高的温差需要在温差发电片的底端增加散热装置以保证较高的温差。经过大量的调查与探究我们知道目前主要采用的散热方式有：风冷散热、液冷散热和相变散热。风冷散热又分为自然风冷和强制风冷散热。自然风冷散热器是一定形状的翅片散热器，热阻大小与翅片密度，散热器的面积直接有关。强制风冷散热器与风扇相结合，高温端热量传导到更大面积的翅片上，借助强制散热将热量散失到空气中。热阻取决于风速，风速越大，热阻越小，强制风冷可有效地提高散热器的对流换热系数，减小散热面积，而且结构简单易于实现，因而应用较为广泛。对于液冷散热，由于液体的单位热容较气体大，因而液冷比风冷有更好的散热的效果。研究表明液冷换热系数比自然风冷散热大100-1000倍。热阻大小主要与液体的流速有关，流速越大热阻越低，目前应用的液体散热方式主要有液体喷射冷却、微通道液体冷却和宏观水冷管冷却。相变散热是利用相变材料相态变化时吸收热量来散热。相比较之下，我们优先选择液冷来作为散热方式。并结合风冷散热器的优点设计多个翅片，增加液体与散热片的接触面积，从而加强了散热效果。

4 发展优势

（1）发展空间广阔，节能效果明显。以现有的内燃机评价指标，汽车尾气和散热方面的能耗占燃油总能量的60%左右，而现有的温差发电片若能很好的配置在发动机上，可以从中回收的能量大约占整个燃油所产生能量的5%。将这一部分能量用作汽车用电器或储存起来作为混合动力汽车供电来源的一部分，可以大大提高能源的利用效率。因此在新能源汽车的发展潮流下，有着广阔的发展空间和市场前景。

（2）体积小，结构简单。温差发电片每片大约有3～6mm厚，面积为15～60cm?，由此温差发电片所占据的体积是有限的。整个装置需要将发电模块，散热模块，与热源连接在一起，并用夹紧机构固定在发动外壁即可实现发电，这有助于其普及与推广。

5 结语

当今社会是一个绿色能源为主导的时代。发动机温差发电装置利用了新型的能源技术，具有无污染、可靠性强的优点，符合时代发展趋势，具有广阔的发展空间。但由于材料和成本的限制任然存在温差发电片具有热电转换效率低，散热器与发动机机体配合欠佳等缺陷。相信隨着材料科学，加工技术等科技的进步，一定能研制出更加优秀的温差发电片使发动机温差发电技术得以成功推广利用到汽车工业中去。

参考文献

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[4]王长宏，林涛，曾志环.半导体温差发电过程的模型分析与数值仿真[J].物理学报，2014，63（19）：303-308.

（作者单位：沈阳理工大学 汽车与交通学院）