曾 曦
(婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南婁底 417000)
為了解決汽車發(fā)動(dòng)機(jī)能量流失的問題,我國目前已開始了對(duì)余熱溫差發(fā)電技術(shù)的研究,設(shè)計(jì)了一款可以在汽車的排氣管中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱進(jìn)行裝換的設(shè)備,即汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱溫差發(fā)電設(shè)備。該設(shè)備將汽車的排氣管作為電能轉(zhuǎn)換的熱源,將冷卻循環(huán)水作為電能轉(zhuǎn)換的冷源,在溫差發(fā)電基本原理即塞貝克效應(yīng)作用下輸出電功率。下面,本文就對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析,提高汽車的節(jié)能環(huán)保性。
我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)包括建筑行業(yè)、汽車工業(yè)等,并且近年來,我國汽車工業(yè)得到了相應(yīng)的發(fā)展。車輛在使用過程中,對(duì)能源的消耗也在不斷地增加,與汽車工業(yè)相關(guān)的節(jié)能技術(shù)也逐漸受到了相關(guān)行業(yè)的重視。并且根據(jù)相關(guān)的研究數(shù)據(jù)來分析,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中燃油有百分之六十左右的能量沒有得到合理的利用,大部分的燃燒能力以余熱的形式被排放到了大氣中。這不僅會(huì)對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染,還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)下已經(jīng)有研究學(xué)者對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱利用進(jìn)行了相關(guān)的探究,這一舉措是使汽車走上節(jié)能發(fā)展之路的最佳途徑。汽車的構(gòu)造比較緊湊,并且發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣量比較少,汽車自身發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的利用,相比于大型的工業(yè)設(shè)備的余熱回收來說,難度更大。從上個(gè)世紀(jì)七十年代以來,一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國家就已經(jīng)開始了對(duì)溫差發(fā)電設(shè)備的研究,希望用這個(gè)設(shè)備來解決汽車發(fā)動(dòng)機(jī)能量損失的情況。溫差發(fā)電設(shè)備依據(jù)的原理是熱電直接轉(zhuǎn)換技術(shù),該設(shè)備沒有運(yùn)動(dòng)部件,結(jié)構(gòu)非常簡單,并且不會(huì)產(chǎn)生噪音,在對(duì)低品位熱能的利用方面具有較好的優(yōu)勢(shì)。如果能夠?qū)⑦@個(gè)設(shè)備安裝在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的排氣裝置上,就可以直接將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的余熱轉(zhuǎn)化成為電能。溫差發(fā)電設(shè)備的研究包括兩個(gè)方面,一個(gè)是熱電元器件,另一個(gè)是發(fā)電元器件。這兩個(gè)都是熱電學(xué)領(lǐng)域的重要研究元器件。[1]
熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換元器件是溫差發(fā)電設(shè)備的基礎(chǔ)組成元器件,它的主要功能就是直接將熱能轉(zhuǎn)換成為電能,其作用效率取決于元器件熱電極材料的性能以及元器件自身的質(zhì)量。在上個(gè)世紀(jì)五十年代的時(shí)候,蘇聯(lián)的科學(xué)家loffe就已經(jīng)提出了利用半導(dǎo)體材料來進(jìn)行熱電材料的制造。熱電材料質(zhì)量的好壞決定因素是無量綱優(yōu)值,用于溫差發(fā)電的熱電材料,其電導(dǎo)率不僅要高,而且還要有較低的熱導(dǎo)率。目前用于溫差發(fā)電的熱電新材料,主要包括有梯度材料、復(fù)合材料以及量子阱結(jié)構(gòu)的熱電材料等。[2]
單個(gè)的熱電轉(zhuǎn)換元器件產(chǎn)生的功率是非常小的,需要通過串聯(lián)或者并聯(lián)的方式才能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)、系列化功率。在這一方面美國Hi-Z公司已經(jīng)研制了可以用于汽車余熱轉(zhuǎn)換的熱電模板,它是由七十一對(duì)碲化鉍熱電偶連接起來的一塊熱電轉(zhuǎn)換模板,它被固定在一個(gè)被叫做“蛋架”的框架結(jié)構(gòu)上,改熱電模板的轉(zhuǎn)換溫差可以達(dá)到兩百攝氏度,可以輸出2.38V/19W的電流。目前,美國Hi-Z公司已經(jīng)研制出了四種不同規(guī)格的熱電模板,并且已經(jīng)形成了一個(gè)系列模塊,熱電功率可以達(dá)到十九瓦左右。[3]
溫差發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式與它的熱源特征以及散熱方式和熱能分布情況有著重要的聯(lián)系,并且還與發(fā)電設(shè)備的熱電偶性能、排列情況有著不可分割的關(guān)系。目前,溫差發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種,一種是平板式,另一種是圓桶式。平板式的溫差發(fā)電設(shè)備是將熱電轉(zhuǎn)換元器件平鋪在矩形的排氣通道上,形成一個(gè)與太陽能電池陣相似的熱電偶陣。圓桶式的溫差發(fā)電設(shè)備是將熱電元器件鋪設(shè)成一個(gè)圓桶狀,該結(jié)構(gòu)形式一般用于比較大型的裝置結(jié)構(gòu)上。[4]
如下圖1所示,模型分為兩個(gè)部分,一個(gè)是流體域,另一個(gè)是固體域。中心線的旋轉(zhuǎn)軸為四十五度,每旋轉(zhuǎn)四十五度為一個(gè)周期,旋轉(zhuǎn)三百六十度之后就形成了一個(gè)周期性網(wǎng)格。以此來對(duì)溫差發(fā)電設(shè)備間熱端模型的劃分,劃分的網(wǎng)格數(shù)目大概有一百七十三萬左右,利用ANSYS Fluent進(jìn)行TEG裝置流固耦合傳熱計(jì)算,以流量和壓力這兩個(gè)邊界來對(duì)模型的進(jìn)口以及熱端和流道的表面邊界條件進(jìn)行設(shè)置。
圖1 模型網(wǎng)格劃分圖
目前,我國已經(jīng)對(duì)溫差發(fā)電技術(shù)引起了關(guān)注,并且已經(jīng)有了相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)的研究,并且已經(jīng)有了一定的研究成果。但是,目前溫差發(fā)電的效率還是比較低的水平,并且相關(guān)的技術(shù)也都是來至對(duì)國外研究成果的借鑒,在理念上缺乏一定的新意。與此同時(shí),在相關(guān)行業(yè)中幾乎沒有溫差發(fā)電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用,很多研究成果都還只是停留在理論基礎(chǔ)之上。本文所介紹的熱電轉(zhuǎn)換組件就是半導(dǎo)體制作而成的,并且使用過程中,溫度不能高于兩百攝氏度,這使得產(chǎn)品的性能受到嚴(yán)重的制約。因此,找尋高效能的溫差轉(zhuǎn)換材料是我國未來的發(fā)展目標(biāo)。