鮑亮亮， 李啟明， 彭文博， 劉大為， 金安君,3*

(1.中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京102209；2.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024；3.中國華能集團(tuán)，北京100032)

汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的設(shè)計、制作及性能測試

鮑亮亮1,2， 李啟明1， 彭文博1， 劉大為1， 金安君1,3*

(1.中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京102209；2.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024；3.中國華能集團(tuán)，北京100032)

溫差發(fā)電是一種利用熱能驅(qū)動熱電材料內(nèi)部載流子的定向遷移，將熱能轉(zhuǎn)換成電能的清潔能源發(fā)電技術(shù)。目前，溫差發(fā)電技術(shù)已在航空航天、軍事、醫(yī)學(xué)、太陽能發(fā)電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。介紹了溫差發(fā)電技術(shù)在高溫汽車尾氣發(fā)電上的應(yīng)用，主要包括大功率汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的設(shè)計和制作，以及溫差發(fā)電裝置輸出性能測試平臺的搭建，并測試了汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。實驗表明，在一定的溫度范圍內(nèi)，輸出功率和轉(zhuǎn)換效率隨熱端溫度的升高而線性增加，在可實現(xiàn)的溫差和熱端溫度下，溫差發(fā)電裝置輸出功率可達(dá)千瓦級別，理論轉(zhuǎn)換效率接近10%。

溫差發(fā)電；廢熱回收；大功率熱電；汽車尾氣；輸出性能

溫差發(fā)電（TEG）是一種利用熱電材料內(nèi)部載流子的定向遷移將溫差產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電技術(shù)。它是一種綠色清潔的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，轉(zhuǎn)換過程無污染、無噪音、可靠性強(qiáng)、靈活多變，可以利用各種形式的熱能發(fā)電。

目前，溫差發(fā)電技術(shù)已在航空航天、軍事、醫(yī)學(xué)、太陽能發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)50年代，以美國和前蘇聯(lián)為首的科研機(jī)構(gòu)已設(shè)計制作出利用同位素元素衰變放熱作為熱源的溫差發(fā)電器。這些同位素溫差發(fā)電器主要用于航空航天器的輔助能源、裝備部隊等野外發(fā)電、及給遠(yuǎn)航燈塔供電[1]。1961年以來，僅美國投放到太空的同位素溫差發(fā)電器就有40多個，這些溫差發(fā)電器的輸出功率在2.7～300 W不等，最長的服役時間已經(jīng)超過了30年[1]。此外溫差發(fā)電技術(shù)還被用于軍事領(lǐng)域，20世紀(jì)80年代，美國研發(fā)出kW級軍用燃油溫差發(fā)電機(jī)，裝備陸軍部隊用于野外發(fā)電。鑒于光伏發(fā)電只能吸收可見光與近紅外區(qū)的光能，而溫差發(fā)電可吸收短波光和長波光產(chǎn)生的熱量進(jìn)行發(fā)電，許多學(xué)者提出可建立太陽能溫差和光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，以提高太陽能的綜合利用率[2]。在太陽能利用方面，太陽能溫差發(fā)電技術(shù)（STEG）不同于傳統(tǒng)的太陽能聚光熱發(fā)電技術(shù)（CSP）和太陽能光伏發(fā)電技術(shù)（PV），它直接利用太陽光的熱能發(fā)電，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈活可靠、低成本、效率高的優(yōu)點。武漢理工大學(xué)與日本科研技術(shù)在我國內(nèi)蒙古烏海市建立了太陽能溫差和光伏聯(lián)合發(fā)電示范系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)已投入發(fā)電，太陽能發(fā)電效率大于20%。在醫(yī)學(xué)方面，裝有溫差發(fā)電器的人工器官如人造心臟、心臟起搏器等被植入人體，該溫差發(fā)電器利用微型放射性同位素Pu328作熱源，使用壽命可達(dá)85年以上，可滿足人類的使用期限[3]。

1 汽車尾氣溫差發(fā)電

據(jù)國際著名汽車行業(yè)戰(zhàn)略、規(guī)劃及分析公司HIS Automotive預(yù)測，2014年全球汽車銷售量將達(dá)到8 500萬輛，2018年則有望突破億輛大關(guān)，而截至2012年全球汽車總保有量已超過10億輛。汽車數(shù)量的不斷增長給能源供應(yīng)造成了巨大壓力，與汽車保有量快速增長對應(yīng)的是世界范圍性的能源危機(jī)及原油價格的節(jié)節(jié)攀升。

圖1是美國GM發(fā)展研究中心測試的燃油內(nèi)燃機(jī)汽車能量消耗圖。汽車燃油能量只有30%用于汽車的驅(qū)動、制動、磨擦，30%用于冷卻，剩余的約40%以高溫汽車尾氣的形式排放到大氣中。武漢理工大學(xué)采用精密紅外測溫儀對1.6 L排量燃油汽車排氣管溫度進(jìn)行了測量，測試結(jié)果表明發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在3 000 r/min時，發(fā)動機(jī)出口排氣管溫度可達(dá)450℃左右，排氣管末端溫度也可達(dá)200℃左右[4]。高溫汽車尾氣的排放是一種能源的浪費，不僅降低了汽車燃油使用效率，同時也污染了環(huán)境。一輛1.6 L排量的汽車一年油耗在1 500～2 000 L之間，以目前全球汽車保有量10億輛計算，每年全球汽車總油耗約為1.5×1012～2×1012L。以目前93#汽油7.5元/L價格計算，全球汽車每年要消耗約11.25～15萬億元的汽油。如果能將目前汽車的燃油利用率提高10%，每年將節(jié)省1.1～1.5萬億元的汽油。由此可見提高汽車燃油利用率具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 燃油內(nèi)燃機(jī)汽車能量消耗圖

汽車高溫尾氣的回收利用是提高燃油使用率的一種有效手段。由于溫差發(fā)電技術(shù)綠色清潔、靈活多變、安全可靠，近年來美國、德國相繼開展汽車尾氣溫差發(fā)電項目。利用溫差發(fā)電技術(shù)可將高溫汽車尾氣的熱能轉(zhuǎn)換成電能供汽車使用，不僅提高了燃油利用率、節(jié)省能源，同時也降低了汽車尾氣對環(huán)境的污染。美國能源部和通用汽車聯(lián)合研發(fā)了裝有溫差發(fā)電裝置的雪佛蘭Surburban汽車產(chǎn)生的電能用于混合動力汽車，節(jié)省燃油10%。2008年10月，德國大眾推出帶溫差發(fā)電器的家用汽車，可為汽車提供600 W電能，滿足其30%用電需求，減少燃油5%以上。截至2013年底，我國汽車保有量達(dá)到1.37億輛，占全球汽車總保有量的10%以上。汽車尾氣溫差發(fā)電技術(shù)在我國有著巨大的應(yīng)用市場。

2 大功率汽車尾氣溫差發(fā)電裝置

2.1 汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的設(shè)計與制作

根據(jù)汽車尾氣的流速快、熱量易散失的特點，華能清潔能源研究院溫差發(fā)電課題組設(shè)計了圖2所示的汽車溫差發(fā)電模塊。該模塊采用“3+2”夾層結(jié)構(gòu)，3個冷卻水箱之間夾著2層煙氣管道。每層冷卻水箱與高溫?zé)煔夤艿乐g放置有“3×9”陣列的商用熱電片，共四層。每個溫差發(fā)電模塊裝有108片熱電片。為了保證熱電片的冷熱兩端良好的熱傳導(dǎo)，熱電片上下表面與管道外壁之間均勻地涂覆高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱硅脂。為了保證熱電片有充足的時間吸收汽車尾氣的高溫余熱，煙氣管道內(nèi)部裝有導(dǎo)流翅片。由于煙氣進(jìn)口處尾氣溫度高于煙氣出口處尾氣溫度，所以進(jìn)口處的翅片較少換熱面積較小，出口處翅片較多換熱面積相對較多，以保證相對均勻且充分的熱交換。選材方面，冷卻水箱和上下夾板選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)鋁，煙氣管道選擇導(dǎo)熱性更好的紫銅。

為了優(yōu)化溫差發(fā)電模塊的輸出性能，華能清潔能源研究院溫差發(fā)電課題組對每層熱電片冷熱端的溫度分布進(jìn)行了模擬分析，模擬結(jié)果如圖3所示。由圖3可知熱電片冷熱端的溫度在煙氣流動方向上遞減。據(jù)此，將每層“3×9”陣列的熱電片進(jìn)行了分組，分組情況如圖4所示。其中G1組熱量最高，G2組次之，G3組熱量最低。最后將每層的G1、G2、G3分別串聯(lián)起來，G1、G2、G3之間經(jīng)過DC/DC轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗤妷汉蟛⒙?lián)。

圖2 汽車尾氣溫差發(fā)電模塊

圖3 熱電片冷熱端溫度分布模擬圖

圖4 熱電片分組示意圖

在對上述發(fā)電模塊分析的基礎(chǔ)上，將四個模塊進(jìn)行集成，形成一個汽車尾氣溫差發(fā)電裝置，整體對外供電，如圖5所示。

圖5 汽車尾氣溫差發(fā)電裝置

2.2 溫差發(fā)電裝置輸出性能測試平臺的搭建

為了測試圖5所示汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的輸出性能，搭建了汽車尾氣溫差發(fā)電裝置性能測試系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)包括尾氣模擬裝置、溫差發(fā)電裝置、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、電能輸出系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)及排風(fēng)系統(tǒng)。其中尾氣模擬裝置由燃油型熱風(fēng)裝置、油泵、助燃風(fēng)機(jī)、摻混風(fēng)機(jī)等組成。實驗過程中通過油泵將柴油輸送到燃油裝置的燃燒室中，并通過燃燒器引燃，助燃風(fēng)機(jī)鼓入空氣助燃，與摻混風(fēng)機(jī)鼓入空氣混合形成高溫?zé)煔?，通過控制進(jìn)油量、助燃風(fēng)機(jī)和摻混風(fēng)機(jī)的風(fēng)量控制煙氣的溫度和流量。高溫?zé)煔馔ㄟ^煙氣管道輸送到溫差發(fā)電裝置，并將熱量傳遞給熱電片的熱端，熱電片冷端溫度由循環(huán)冷卻水維持，冷卻水流量為80 L/min，水溫控制在（25±1）℃。流經(jīng)溫差發(fā)電裝置后的煙氣經(jīng)過排風(fēng)系統(tǒng)排放。在冷熱端的溫差驅(qū)動，熱電片便在其內(nèi)部熱電材料的Seebeck效應(yīng)作用下產(chǎn)生直流電。直流電通過DC/DC調(diào)壓后并聯(lián)，最終通過電子負(fù)載測量得到溫差發(fā)電裝置的電流-電壓曲線。測量誤差為0.05%×測試值。煙氣流量通過安置于煙氣管道的氣體流量計測量，溫差發(fā)電裝置煙氣進(jìn)、出口溫度分別為及溫差發(fā)電裝置芯片熱端溫度等通過熱電偶測量。

圖6 汽車尾氣溫差發(fā)電裝置測試系統(tǒng)

2.3 汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的輸出功率及轉(zhuǎn)換效率

2.3.1 汽車尾氣溫差發(fā)電裝置輸出功率及轉(zhuǎn)換效率測試方法

圖7是溫差發(fā)電裝置能量分配示意圖。

圖7 溫差發(fā)電裝置能量轉(zhuǎn)換及分配示意圖

其中溫差發(fā)電裝置的輸出功率P和轉(zhuǎn)換效率η可由式(1)、式(2)計算：

表1 不同狀態(tài)下溫差發(fā)電裝置測試數(shù)據(jù)

圖8 不同狀態(tài)下溫差發(fā)電裝置的P-V曲線

2.3.2 溫差發(fā)電裝置的輸出功率

表1是溫差發(fā)電裝置的測試數(shù)據(jù)，No.1～No.6分別表示不同的煙氣溫度或熱電片熱端溫度狀態(tài)。為了方便數(shù)據(jù)的記錄，通過改變電子負(fù)載大小測試了溫差發(fā)電裝置的負(fù)載電壓和負(fù)載電流，并根據(jù)式(1)計算出不同輸出電壓下溫差發(fā)電裝置的輸出功率。圖8是不同狀態(tài)下溫差發(fā)電裝置的P-U曲線。由圖可知隨著溫差發(fā)電裝置熱端溫度的不斷增加，其輸出功率整體成上升趨勢。這是由于熱端溫度增加導(dǎo)致溫差發(fā)電裝置內(nèi)部熱電片冷熱兩端的溫差增加，提高熱電轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而使得輸出功率增大。同時還可以看出同一狀態(tài)下，輸出功率隨著輸出電壓的改變而改變，在某一區(qū)域內(nèi)達(dá)到最大值。根據(jù)電學(xué)原理可知此時電子負(fù)載阻值約等于溫差發(fā)電機(jī)內(nèi)阻。圖9是不同狀態(tài)下溫差發(fā)電裝置的熱端溫度和最大輸出功率的關(guān)系，從圖9可見，溫差發(fā)電裝置的最大輸出功率同熱端溫度近似成線性遞增關(guān)系，當(dāng)熱端溫度達(dá)到310℃時，輸出功率可達(dá)1 088 W。

Studies of thermoelectric device for automobile tail-pipe energy harvest：design，fabrication and performance

Thermoelectric(TE)material could produce green energy and it generated one of many forms of the clean technology.TE converted heat into electricity in typical two dissimilar TE materials because its temperature differential across could cause a directional migration of its charge carriers.It was deployed widely in diverse fields such as aerospace, military apps, medical devices and solar power production.The TE application for the high-temperature of the automobile tail-pipe energy harvest(ATEH)was studied.The results of both output power and efficiency seem to increase linearly with the hot-side temperature over a wide experiment range.The TE system achieved over a thousand watt in output power at the maximum temperature setting of ATEH and with a large flow rate of exhaust gas.Moreover,the efficiency in a state-of-the-art characterization instrumentation was studied.The conversion efficiency was theoretically close to 10%.

thermoelectric generation；energy harvest；high-power teg；automobile exhaust；output performance

TM913

A

1002-087X(2016)12-2463-03

2016-05-24

鮑亮亮（1989—），男，山東省人，碩士生，主要研究方向為溫差發(fā)電器件的設(shè)計與應(yīng)用等。