馬宗正，王新莉

（河南工程學(xué)院機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 451191）

內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展已經(jīng)超過(guò)100年的歷史，雖然熱效率與最初的發(fā)動(dòng)機(jī)相比有了顯著提高，但是大部分的能量還是以廢氣和冷卻的方式浪費(fèi)掉，占燃油能量的60%左右[1]。如果能夠?qū)@部分能量進(jìn)行回收利用，則會(huì)明顯提高內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，有研究表明，如果能夠?qū)U氣能量進(jìn)行回收利用，內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性能夠提高20%[2]。

溫差發(fā)電技術(shù)是利用熱電材料的塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，是一種全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式，具有無(wú)需增加發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載、無(wú)噪聲、體積小等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的能量回收技術(shù)[3]。

1 溫差發(fā)電技術(shù)原理

塞貝克效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料將溫差直接轉(zhuǎn)換為電能的一種性能?；谌惪诵?yīng)可以開發(fā)溫差發(fā)電系統(tǒng)（thermoelectric generation，TEG）。圖1為溫差發(fā)電系統(tǒng)的示意圖，利用兩種半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料連接形成PN 結(jié)，當(dāng)PN 結(jié)一端處于高溫、另一端處于低溫時(shí)，P 型材料高溫端空穴濃度高于低溫端，而N 型材料高溫端電子濃度大于低溫端，濃度梯度的存在使得空穴與電子從高溫端向低溫端運(yùn)動(dòng)，從而形成電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了將溫差轉(zhuǎn)換為電能[4]。

圖1 溫差發(fā)電示意圖

2 基于溫差發(fā)電發(fā)動(dòng)機(jī)能量回收技術(shù)研究

溫差發(fā)電技術(shù)已經(jīng)歷了近200年的發(fā)展，但是其轉(zhuǎn)換效率較低，因此主要應(yīng)用于對(duì)價(jià)格不敏感的領(lǐng)域[5]。在汽車上使用溫差發(fā)電技術(shù)可追溯到1963年美國(guó)Clarkson 大學(xué)Bauer 的研究論文，他提出車用發(fā)動(dòng)機(jī)能夠提高600 K 的穩(wěn)定熱源，在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上使用溫差發(fā)電技術(shù)值得深入研究[6]。1964年Clarkson大學(xué)的Tomarchio 開發(fā)了一款采用強(qiáng)制通風(fēng)冷卻的溫差發(fā)電器，研究表明，利用溫差發(fā)電技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣能量進(jìn)行回收，當(dāng)車輛車速超過(guò)80 km/h 時(shí)理論上完全可以為整車的電力系統(tǒng)提供電源[7]。1984年Bass 等人利用溫差發(fā)電技術(shù)設(shè)計(jì)的溫差發(fā)電器最高功率可達(dá)1.5 kW[8]，隨后Bass 等人在柴油卡車上利用72 片溫差發(fā)電片在保持熱端溫度230 ℃、冷端溫度30 ℃的情況下，將溫差發(fā)電的熱轉(zhuǎn)換效率提高到4.5%[9]。1990年以后，美國(guó)能源部與Hi-Z 公司共同啟動(dòng)了一項(xiàng)利用熱電發(fā)電機(jī)回收汽車尾氣廢熱并發(fā)電的課題[10]。與此同時(shí)，俄羅斯和日本也開始了相關(guān)的研究[11]。

1999年吉林大學(xué)董桂田指出發(fā)動(dòng)機(jī)在最低轉(zhuǎn)速時(shí)，利用溫差發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電量足夠滿足汽車電力負(fù)載需求[12]。2009年，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所與上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)研究中心獲得國(guó)家“973”項(xiàng)目資助，共同開展熱電技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣回收技術(shù)上的研究[13]。

3 基于溫差發(fā)電發(fā)動(dòng)機(jī)能量回收技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

雖然一般溫差發(fā)電片發(fā)出的功率在mW～μW，轉(zhuǎn)換效率在5%～10%，但是采用溫差發(fā)電機(jī)技術(shù)仍然能夠改善燃油經(jīng)濟(jì)性，對(duì)汽車能量進(jìn)行回收是可行的。近年來(lái)基于溫差發(fā)電技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)能量回收研究日益引起人們的關(guān)注。

3.1 基于溫差發(fā)電技術(shù)的尾氣能量回收

目前，利用溫差發(fā)電技術(shù)進(jìn)行尾氣能量回收，其回收裝置的基本結(jié)構(gòu)有兩種，一種是截面為圓形[14]，另一種結(jié)構(gòu)形式為方形[15]。如圖2所示，其基本結(jié)構(gòu)包括換熱器、散熱器、溫差發(fā)電組和骨架等幾部分?；跍夭畎l(fā)電技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣能量進(jìn)行回收，研究?jī)?nèi)容大體可分為基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。

圖2 溫差發(fā)電片基本形式

3.1.1 基于溫差發(fā)電模塊的基礎(chǔ)研究

（1）臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

C.A.Gould 等人基于市售溫差發(fā)電模塊，對(duì)不同形式的冷卻方式進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，與采用自然冷卻方式相比，采用風(fēng)冷和水冷兩種方式可以保證兩端的溫差，消耗較少的能量就能夠產(chǎn)生更多的電能[16]。褚澤等人建立了溫差發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)冷卻方式的對(duì)比分析表明，采用強(qiáng)制風(fēng)冷方式可以滿足冷端散熱的要求，并且溫差發(fā)電器內(nèi)阻隨冷熱端平均溫度的升高而降低[17]。周澤廣等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，采用空氣強(qiáng)制對(duì)流和水冷散熱方式能夠改善熱器翅片與環(huán)境之間的傳熱，若熱源提供的熱流量較大時(shí)則會(huì)提高溫差發(fā)電效率，但是當(dāng)熱源提供的熱流量一定時(shí)，強(qiáng)化冷端傳熱會(huì)使熱端的溫度降低，從而降低溫差，不利于提高熱電效率[18]。全睿等人建立了汽車尾氣余熱熱電轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下分流器對(duì)出口尾氣溫度的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，可通過(guò)延長(zhǎng)尾氣在集熱器內(nèi)部的流動(dòng)時(shí)間來(lái)提高集熱器表面溫度，從而有效提高溫差發(fā)電熱利用效率，并且采用蛇形流道結(jié)構(gòu)的集熱器表面溫度分布更加均勻[19]。鄧亞?wèn)|等人利用紅外熱像儀測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的溫度，依據(jù)溫度分布提出了如何在汽車排氣管合適位置安裝發(fā)電裝置及布置熱電模塊[20]。

（2）采用數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)研究

采用實(shí)驗(yàn)臺(tái)的方法進(jìn)行研究，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確；采用數(shù)值計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)成本低、邊界條件便于調(diào)整。

T.Seetawana 等人利用ansys 對(duì)溫差發(fā)電器進(jìn)行了研究，結(jié)果表明當(dāng)溫差發(fā)電器高度變化時(shí)會(huì)對(duì)開路電壓產(chǎn)生影響，從0～6 mm 變化時(shí)開路電壓和高度幾乎成線性關(guān)系，從6～40 mm 變化時(shí)開路電壓隨高度增加而增加，但是增加的幅度變緩[21]。Hsiao 等人的分析結(jié)果表明，溫差發(fā)電器的輸出功率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或者冷卻液溫度的升高而增加，溫差發(fā)電器安裝在排氣管上比安裝在散熱器上效果更好[22]。Min Chen 等人開發(fā)了研究溫差發(fā)電模塊的三維模型，該模型基于FLUENT 軟件利用UDF（user defined function）加入新的計(jì)算公式實(shí)現(xiàn)了流固耦合，并且包括非線性流-熱-電多態(tài)耦合[23]。魚劍琳等人用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)采用平行板熱交換器的溫差發(fā)電模塊進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)熱端入口溫度越高，流速越快，溫差發(fā)電模塊開路電壓越高，但是隨著流速增加這種趨勢(shì)減緩[24]。Simon Bélanger 等人對(duì)橫流熱交換模式的溫差發(fā)電器建立了一維分析模型，通過(guò)將6 個(gè)公式聯(lián)立求解而獲得溫差發(fā)電模塊高溫端溫度、低溫端溫度、高溫介質(zhì)溫度、低溫介質(zhì)溫度、高溫端熱流量和低溫端熱量6 個(gè)參數(shù)，并且對(duì)該模型進(jìn)行了改進(jìn)[25]。

3.1.2 基于溫差發(fā)電模塊的應(yīng)用研究

K.Ikoma 等人采用Si-Ge 熱電材料制造溫差發(fā)電器用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能力的回收，在相當(dāng)于3.0 L 排量發(fā)動(dòng)機(jī)在60 km/h 爬坡工況下，最大發(fā)電功率為35.6 W，轉(zhuǎn)換效率約為11%[26]。Thacher 等人將16 塊HZ-20 安裝到輕型卡車上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫差發(fā)電片的輸出功率隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，整個(gè)系統(tǒng)能夠產(chǎn)生大約330 W 的能量[27]。Matsubara 利用兩種材料YbFe3CoSb12和YbFe3.6Ni0.4Sb12制造了一種新型的溫差發(fā)電片，利用此種發(fā)電片在一臺(tái)2.0 L 排量的汽油機(jī)上保持溫差為475℃時(shí)，最大可產(chǎn)生266 W 的功率[28]。

目前對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣能量回收的利用研究較多，但是增加溫差發(fā)電器后不可避免會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)產(chǎn)生影響，利用溫差發(fā)電技術(shù)回收發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣能量的研究方向是在不增加排氣壓力的情況下熱交換器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)增加熱交換器的換熱效率來(lái)提高溫差發(fā)電的效率。

3.2 基于溫差發(fā)電技術(shù)的冷卻能量回收

基于溫差發(fā)電技術(shù)冷卻系統(tǒng)能量回收裝置與尾氣能量回收裝置有所不同，由于不考慮排氣阻力的影響，換熱器的形狀比較自由，但是一般都采用界面為方形的平板式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其基本結(jié)構(gòu)與方形截面尾氣溫差發(fā)電器類似，也是包括換熱器、散熱器、溫差發(fā)電組和骨架等幾部分。

圖3 冷卻系統(tǒng)能量回收溫差發(fā)電器示意圖

冷卻系統(tǒng)能量回收與尾氣能量回收的另一個(gè)不同點(diǎn)是冷卻系統(tǒng)能量回收時(shí)熱端溫度較低，這主要是因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)能量來(lái)源是冷卻液，其溫度一般不超過(guò)110 ℃，采用市售溫差發(fā)電模塊即能滿足要求，無(wú)需采用特殊制作的溫差發(fā)電模塊。

牛星等人采用平行散熱結(jié)構(gòu)的溫差發(fā)電器對(duì)冷卻系統(tǒng)溫差發(fā)電進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨溫度升高溫差發(fā)電器的熱阻值增加，即溫度對(duì)溫差發(fā)電片的特性有一定的影響；負(fù)載不同，發(fā)電功率也不同，當(dāng)與溫差發(fā)電器內(nèi)阻值相等時(shí)效率最高；最大功率隨溫差的擴(kuò)大而增加，增加熱端溫度或者減小冷端溫度效果相同[29]。Nyambayar Baatar 等人將溫差發(fā)電器替換散熱器用于回收冷卻系統(tǒng)能量，研究結(jié)果表明，采用其設(shè)計(jì)的溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)可以替代原有散熱器，在實(shí)驗(yàn)室模擬車速為80 km/h 時(shí)溫差發(fā)電器的能量回收效率為3.2%，在怠速時(shí)能量回收效率可達(dá)10%[30]。

4 結(jié)論

由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度較高比較適合于溫差發(fā)電，對(duì)其的研究特別是基礎(chǔ)研究較多，但是對(duì)排氣能量進(jìn)行回收時(shí)用到的溫差發(fā)電模塊價(jià)格較高，同時(shí)還會(huì)對(duì)排氣系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，從而制約了實(shí)際應(yīng)用。對(duì)于冷卻系統(tǒng)能量回收的研究較少，主要是因?yàn)闊岫藴囟容^低，不利于溫差發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，但是此種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是利用市售溫差發(fā)電模塊即可實(shí)現(xiàn)，成本較低。就下一步的研究方向提出以下建議：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量回收需要在提高換熱器效率和降低熱阻方面進(jìn)行研究；

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)能量回收可以結(jié)合實(shí)際車輛在如何提高溫差發(fā)電模塊兩端溫差方面進(jìn)行研究；

（3）溫差發(fā)電系統(tǒng)可靠性分析關(guān)系到溫差發(fā)電技術(shù)能否實(shí)際應(yīng)用，需要進(jìn)一步研究；

（4）建立基于溫差發(fā)電技術(shù)生命周期評(píng)價(jià)體系，目前溫差發(fā)電模塊價(jià)格較高，制約了溫差發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，從生命周期的角度來(lái)分析溫差發(fā)電技術(shù)對(duì)于溫差發(fā)電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用有著重要的意義。

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