圆筒式尾气温差发电系统的设计与试验

戴海燕，李长玉，李淼林

（华南理工大学广州学院 汽车与交通工程学院，广州 510800）

我国的汽车产销量已经连续9年位于世界首位。2017年，我国的汽车产销量分别为2901.54万辆和2887.89万辆，约占全球产销量的1/3。同时，机动车的保有量也逐年增高，据统计，截止2017年底，我国汽车保有量已经达到3.1亿辆。尽管我国政府早已意识到节能减排的重要性，大力支持开发并使用新能源汽车，但其普及还需要较长时间，因此当前内燃机式汽车仍是汽车行业主流[1]。而根据试验发现发动机运行时，燃料燃烧产生的能量约有60%左右转化为机械能以克服汽车四大行驶阻力，驱动车轮行驶，另有40%左右的热量以废气形式排放到大气中，不仅会造成环境污染，也浪费了能源[2]。

19世纪20年代，德国学者Seebeck发现了塞贝克效应，即某些特殊半导体两端形成温差时，闭合电路中会有电流产生[3]。20世纪中期，前苏联设计了首台热效率较低，约为1.5%的温差发电器。为提高汽车尾气利用率，2001年美国康明斯公司及2004年通用公司分别开展了尾气余热温差项目的研究，其中康明斯公司设计的温差发电器热电转换效率约为5%，通用公司的轻型皮卡加装温差发电器后燃油效率大约提升了2%左右[4]。2008年，欧洲雷诺卡车及沃尔沃公司进行了发动机尾气温差发电能量回收的项目研究，在排量为2.0 L的柴油发动机上安装温差发电装置，乘坐一名乘客高速行驶时，可产生130 W功率，该项目最新目标是将此技术应用到混合动力汽车上[5]。此外，法雷奥公司计划在2018年生产出硅化镁材料的温差发电器，并将其应用在10000辆汽车上[6]。国内对温差发电原理应用于汽车的研究起步较晚，并且到现在都还没有应用到汽车上。2010年，清华大学徐立珍等[7]搭建了汽车尾气温差发电系统测试平台，针对EQ140-1货车实际行驶工况，计算了该温差发电系统回收成本时间需8.2年。近年来，武汉理工大学、华南理工大学、同济大学[8]等也相继进行了尾气温差发电技术研究，但结构较为复杂，热电转换效率较低，成本回收年限较高，无法真正实际应用于汽车上。

基于此，本研究应用塞贝克效应的温差发电原理，以排气系统产生的热量作为热端，以冷却水作为冷端，设计了一套圆筒式发动机余热温差发电装置。该系统结构简单成本低，通过理论计算发现该系统具有良好的热电转换效率。对该系统进行了温差发电试验，验证了利用汽车尾气余热进行温差发电的可行性。该系统可以较好地提高汽车燃油经济性，达到节能减排的目的，具有较好的应用前景。

1 温差发电原理

温差发电实质上应用了塞贝克效应，即在某些特殊的半导体两端分别接上冷端和热端，两端有温差形成时，半导体内部的电子发生移动，从而产生电动势，如果是闭合电路，则会有电流产生[9]。其原理如图1所示，塞贝克效应表明，半导体两端有温差存在时，产生的电动势与温差应是正比关系[10-14]。

图1 塞贝克效应

即：

式中：αPN为相对塞贝克系数；αP，αN分别为半导体P、N极塞贝克系数。由于半导体材料自身的特性原因，单个PN结及单个小尺寸发电片能够产生的电压较小，当系统需求较大时，可以按照功能需要串联或者并联多个小尺寸发电片。

2 圆筒式温差发电系统设计

主要采用圆筒式温差发电结构，整个系统的结构如图2所示，主要由温差发电模块、集热装置、冷却装置、稳压电路和充电电路组成。其中集热装置采用六边形接近圆筒的结构形式，冷却装置包含散热器、冷却水管和水泵。温差发电装置通过安装法兰紧固在排气管上。

当发动机工作时，燃料燃烧后形成的高温尾气通过排气管进入六边形集热器，形成热端，把热量传递给温差发电模块。同时，发动机的冷却系统循环工作，冷却液源源不断地流过圆筒式汽车尾气温差发电装置的冷却水箱，使冷端维持在较低温度。温差发电模块两端形成一定温差，根据塞贝克效应，在闭合的电路中会产生电压和电流，经过稳压电路进行调整后即可供负载使用，同时多余的电能可供蓄电池充电。

图2 圆筒式温差发电系统

2.1 温差发电装置设计

2.1.1 温差发电模块的选择

在塞贝克效应的基础上，目前某些科研机构已经研究并生产出很多不同尺寸和材料的温差发电片。通过对多个温差发电模块的比较发现，国内大多数温差发电模块最高耐热温度基本都在150 ℃～350 ℃之间，综合考虑最高耐热温度、发电效率及成本因素，选取了某公司生产的TEP1-142T300，工作温度为-40 ℃～300 ℃，长时间工作最高温度为250 ℃，单个温差发电模块尺寸规格为 40 mm×40 mm×3.4 mm。其温差发电特性如图3所示。

图3 温差发电模块发电特性

当为12 V，60 Ah的蓄电池充电时，充电电压和电流分别约为14.5 V，6 A左右，根据对所选择的发电片的发电性能分析，当温差为100 ℃时，理想状态下，可产生4.8 V电压和0.569 A电流。若要为该蓄电池充电，则需串联3个，并联12个TEP1-142T300发电片方可满足充电需要，因此总共至少需要36个发电片。

2.1.2 集热装置设计

目前集热装置主要有平板式和圆筒式，本次设计考虑到尾气流动通道能够更符合空气动力学要求，选择采用了圆筒式结构。集热装置三维图如图4所示，集热装置包含中间的主体和两端部分，其中主体部分是横截面为正六边形的圆筒结构，每一边的平面上布置有适合温差发电模块的凹槽，由于温差发电片需紧贴集热装置表面，而发电片共有36个，所以集热器的每个面上分别安置6个发电片，单个发电片的尺寸为40 mm×40 mm×3.4 mm，考虑到安置的需要，相邻两片之间间隔为10 mm，因此集热装置总长为310 mm，六边形的边长为60 mm。集热器的两端部分形似漏斗结构，两端口分别为进气口和出气口，端口的位置设计了法兰，通过法兰与排气管连接。此外，为了将发电装置可靠地紧固于汽车上，在发电装置上设计了整体紧固件，该装置可削弱因汽车在不平路面行驶时产生的颠簸，避免温差发电装置出现较大晃动。

图4 圆筒式汽车尾气温差发电装置三维图

2.1.3 冷却装置设计

冷热端温差大小直接影响温差发电模块最终发出的电量大小，所以热端温度一定时，应尽可能降低冷端温度以获取更多电量。目前可用于尾气余热发电的冷却方式主要有风冷式和水冷式。

风冷是在温差发电模块冷端布置型材散热器或者热管散热器，利用汽车行驶过程中产生的空气对流和温差发电模块冷端产生的热交换来散发热量，使冷端的温度降低。其散热效果受车速影响较大，特别是当汽车在市区道路行驶，速度较低且怠速条件较多时，散热效果相当差。水冷方式则是将水管串联到发动机的冷却系统，利用冷却水的循环使温差发电模块的冷端稳定地维持在较低的温度，可实现较好的冷却效果。水冷散热虽然结构稍复杂但效果较好且较为稳定，对汽车发动机的工况要求低，在发动机空转时也可以使用。

通过综合比较，本次设计的冷却装置采用了水冷方式，冷却水箱两端各设有6个进出水口，为了加快出水速率，在实际安装时入水口位于左上位置，出水口位于右下位置。冷却水箱和散热片的材料均为强度高、质量轻的铝合金。六边形集热器、安装法兰均为不锈钢材料。安装法兰通过螺纹安装，考虑到密闭性和紧固性，法兰与集热器采用焊接方式。

2.2 稳压电路设计

汽车在不同工况下运动时，排气管壁的温度各不相同，因此产生的电压和电流也不稳定。为了满足车载电器供电需求和汽车蓄电池充电需求，温差发电装置后端需连接稳压装置。

为额定电压12 V的蓄电池充电时，充电电压一般为14 V左右，此次基于XL4016设计了稳压模块，其实际输出电压的范围在输入电压范围内，采用效率较高的开关稳压电源技术，保证了较高的输出效率。该稳压可调电路模块的基本电路如图5所示。

其中，输入电压Vin=10～40 V；输出电压输出电流Iout=0～10 A。

图5所示的电路中，对输入电压值进行了设置，若各工况条件产生不同电压时，只要电压不超出10～40 V，整个电路便可正常工作，并输出稳定的电压供汽车使用。

其中，R2为电位器，实际使用时，可调节R2的阻值，来实现输出电压的调整。由于车用电器需要12 V，蓄电池充电需要14 V，所以R2值可由以下公式得到：

图5 基于XL4016降压稳压可调电路

由式（3）可得，Vout=12 V时，R2=8.6 kΩ；Vout=14 V时，R2=12.24 kΩ。根据电容器的工作原理，电容器值在0.1～1 μF范围内时，接入电路可实现高频去耦，在上述电路中，电容C1，CC，C2选用陶瓷电容器，值为1 μF。

输入电解电容：Cin=470 µF50V；

输出电解电容：Cout=1000 µF25V 。

电感L1= 47 µF10A；D1采用低损耗二极管MBR1545，作为续流二极管的参数，Uds=45 V，Io=45 V。

电阻R1的取值范围为240～1.5 kΩ，为了最大程度地降低反馈脚的噪声，R1应选择低阻值，取R1=1 kΩ。

2.3 充电电路设计

经过稳压电路将输入电压调整完毕后，可直接供车载电器使用或为蓄电池充电，将电能储存起来供后期使用。充电电路模块是基于UC3906集成电路芯片设计的，UC3906是专门应用于密封式铅酸蓄电池的芯片，其内部集成的功能模块能使充电器在很宽的电压范围内给蓄电池充电。除此之外，还能实现最佳充电方式所需具备的全部取样检查功能和控制功能。

基于UC3906的充电电路如图6所示，电路中各阻值关系如下。

图6 基于UC3906的充电电路

针对12 V/7 Ah铅酸蓄电池，选择分流电流ID=100 μA，最大充电电流小0.7 A，Vin=18 V，浮充电压VF=13.8 V，过充电压Voc=15 V，最大充电电流Imax=0.5 A，过充终止电流IOCT=0.05 A。根据上述各电阻关系，求得各参数值见表1。

表1 各参数值

3 热电转换效率计算

根据集热器材料及结构特性，整体输出功率最大的情况下，本次设计的集热器热效率约为ηj=85%。根据文献资料可知，温差发电片的热转换效率ηηw一般低于 6%，而电路模块的技术成熟，其转换效率ηd可达到90% 左右。

综上所述，可得该温差发电系统效率公式为：

式中：η为整个系统的热电转换效率，%；ηηj为集热器集热效率，%；ηηw为发电片的热电转换效率，%；ηd为电路热效率，%。

代入可得该系统的热电转换效率η=η4.59%。而根据能量守恒定律，发动机运行后，燃料燃烧产生的能量约30%～45%以尾气形式排放到大气中，即发动机每燃烧1 L燃油，约0.4 L左右用来进行温差发电。则采用该尾气余热温差发电系统时，每燃烧1 L燃油相当于可以回收燃油0.0184 L。对于某最大载重量为20 t的货车，假如综合百公里油耗为30 L，一年大约行驶15万公里，则每年节约的燃油约为 30× 0.0 184 ×15× 100 00÷ 100 =828L，假如燃油价格为6.5元/L，则每年可省6.5× 828 =53 82元。

4 温差发电系统试验

4.1 试验原理

将该温差发电装置安装至某6缸柴油机的排气尾管上，为了测试温差发电效果，采用某公司生产的FL34970B多路数据采集仪进行测量。该仪器的电压测量范围为1～300 V；电流最大量程为50 A；热电偶有多种不同类型，可测-165 ℃～1000℃范围的温度，其测量精度为0.5%，可同时测量实时温度、电压及电流数据。

图7 试验原理

当发动机稳定后，以1600 rad/min转速运行，采用温度传感器采集温差发电装置冷端和热端的温度，同时采集发动机运行过程中，发电装置不同时刻产生的电压和电流大小，然后将所有数据进行汇总分析。

4.2 试验结果与分析

试验进行了多次，取其平均值后，得到在发动机正常运行时，温差发电系统在不同温差条件下产生的电压和电流关系，如图8所示。

汽车启动后，排气管壁温度逐渐升高，冷却液的温度也逐渐升高，通过测量未经稳压时温差发电装置所产生的电压和电流发现，随着温差的逐渐增大，电压和电流也逐渐增大，它们之间呈增函数关系变化。温差达到140℃时，每12个发电片并联，3个串联的情况下，可产生25.2 V电压和11.628 A电流，有足够的电量可供蓄电池充电或供其它车载电器使用。

图8 温差发电系统发电特性

5 结论

本文基于塞贝克效应，设计了一款圆筒式温差发电系统。在设计的过程中，选择了合适的温差发电片，结合功能需求，确定了温差发电片的串并联连接方式及片数。在此基础上，设计了圆筒式的集热装置、冷却装置及系统所需的稳压电路和充电电路。

为了验证该温差发电系统的合理性，根据理论计算得到了该温差发电装置的发电效率约为η=η4.59%，当该系统用于重载货车时，每年可节省燃油费用约5382元。

最后进行了圆筒式温差发电系统试验测试，试验结果发现：发动机正常运行时，该发电系统可以产生足够的电量供车载电器和蓄电池使用。圆筒式尾气温差发电系统提高了汽车燃油经济性，达到了节能的效果，为今后温差发电效率的进一步研究奠定了基础。