華南理工大學(xué)廣州學(xué)院

1、華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 “學(xué)生研究計劃”(SRP)項目結(jié)題報告書項目編號： JY130502 項目名稱： 汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的設(shè)計 起止時間： 2013.4-2014.6 學(xué)生姓名： 周裔靖 學(xué)院專業(yè)： 汽車工程學(xué)院 車輛工程 聯(lián)系電話：電子信箱： 243003997 指導(dǎo)教師： 李淼林 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院教務(wù)處制 2014 年 6 月 10 日項目名稱汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的設(shè)計項目性質(zhì)發(fā)明、設(shè)計 基礎(chǔ)性研究 應(yīng)用性研究 社會調(diào)研項目來源自主立題 教師指導(dǎo)選題指導(dǎo)教師姓名職位/職稱聯(lián)系電話Email李淼林 講imiaolin2004一、項目

2、成果簡介：（重點介紹特色及創(chuàng)新點，200字左右） 汽車尾氣溫差發(fā)電裝置是基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的原理設(shè)計的。裝置是在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，直接使用市場上的溫差發(fā)電片，以達到尾氣發(fā)電的目的；并且可以更換市場上不同規(guī)格的發(fā)電片，可實現(xiàn)不同效率的能量回收；該裝置結(jié)構(gòu)非常簡單，易制造，制造成本低改，在有限的體積情況下，實現(xiàn)4個受熱面，共100片溫差發(fā)電片共同工作；可以加載在絕大多數(shù)汽車上，實現(xiàn)節(jié)能減排。二、項目研究中使用的具體材料：（含參閱的書籍和論文目錄，使用的檢索目錄）參考論文：低品位熱源半導(dǎo)體溫差發(fā)電器性能研究 中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 基于汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電系統(tǒng)的車載電源能量管理系統(tǒng)研究武漢理工大學(xué)

3、基于汽車尾氣溫差發(fā)電和太陽能發(fā)電的新型車載電源系統(tǒng) 武漢理工大學(xué)汽車尾氣半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)研究 華南理工大學(xué)汽車尾氣溫差發(fā)電裝置及熱電模塊的布置研究 武漢理工大學(xué)汽車尾氣溫差發(fā)電裝置通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析 武漢理工大學(xué)資料來源：百度、淘寶、中國知網(wǎng)檢索目錄：溫差發(fā)電片、汽車排氣管材料、排氣管溫度分布、溫差發(fā)電裝置三、項目成果形式及數(shù)量：（需另行提供附件、電子版和模型演示光盤等）1.文獻資料綜述（ ）份；2.調(diào)查報告 （ ）份；3.研究論文（ 1 ）份；4.軟件 （ ）份；5.設(shè)計 （ 3 ）份；6.硬件研制（ ）份；7.獲得專利 （ ）份；8.心得體會 （ ）份；9.實物模型（ 1 ）份；10.

4、其他 （ ）件，名稱： 附件清單： 四、項目總結(jié)報告（以學(xué)術(shù)論文形式撰寫，應(yīng)包含項目實施過程中創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐方面收獲，30004000字）： 汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的設(shè)計摘要：汽車節(jié)能減排和提高發(fā)動機熱效率是汽車工業(yè)界的研究熱點?；诠?jié)能減排和尾氣能量回收為目的，我們小組希望能以低成本開發(fā)設(shè)計一款小型并可加載在絕大多數(shù)的汽車上的尾氣溫差發(fā)電裝置。我們選擇了溫差發(fā)電片作為回收尾氣溫差發(fā)電的核心部件，在汽車排氣管上加裝溫差發(fā)電裝置（在三元催化器前），利用高溫尾氣的作為熱源給溫差發(fā)電片的一個表面加熱，在另一面水冷冷卻，使發(fā)電片兩面形成溫差，從而產(chǎn)生電壓。文中簡要闡述了半導(dǎo)體溫差發(fā)電的原理，利用汽車

5、尾氣余熱和冷卻液水冷形成溫差發(fā)電。運用Solidworks設(shè)計了一種汽車尾氣溫差發(fā)電裝置，并介紹了該汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)及其在汽車上的布置。關(guān)鍵詞：汽車；尾氣；溫差發(fā)電；發(fā)電片一、背景根據(jù)公安部的數(shù)據(jù)，2013年中國持駕照人數(shù)為2.8億人，民用汽車總保有量1.27億輛，10至15年后，中國預(yù)計將有10億人持有駕照，民用汽車總保有量將增長至2億輛。隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)燃油汽車的能耗與日俱增，汽車節(jié)能減排和如何提高汽車發(fā)動機熱效率一直是人們關(guān)注的焦點。調(diào)查研究表明，柴油機的熱效率為34%-38%，汽油機為25%28%，其余能量以發(fā)動機冷卻水30% ，汽車尾氣和摩擦損耗5%等形式耗散了

6、，其中汽車尾氣熱量占燃料燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能的30 %45%。利用熱電材料的塞貝克效應(yīng)直接將熱能轉(zhuǎn)換成電能的溫差發(fā)電技術(shù)可將低品味的熱能(工業(yè)廢熱，發(fā)動機余熱等)回收重利用。國外研究表明，當(dāng)回收率為10%時，可提高燃油經(jīng)濟性20%)，則可以顯著節(jié)油降耗。 基于節(jié)能減排和尾氣能量回收為目的，而且項目經(jīng)費有限，我們小組希望能以低成本開發(fā)設(shè)計一款小型可加載在絕大多數(shù)的汽車上的尾氣溫差發(fā)電裝置。我們選擇了溫差發(fā)電片作為回收尾氣溫差發(fā)電的核心部件，在汽車排氣管上加裝溫差發(fā)電裝置（在三元催化器前），利用高溫尾氣的作為熱源給溫差發(fā)電片的一個表面加熱，在另一面水冷冷卻，使發(fā)電片兩面形成溫差，從而產(chǎn)生電壓。其具有結(jié)

7、構(gòu)簡單，使用壽命長，無運動部件，噪聲低等優(yōu)點。 二、汽車尾氣溫差發(fā)電裝置 汽車尾氣溫差發(fā)電裝置（圖2-1）主要包括熱電模塊（溫差發(fā)電片）、尾氣通道箱體和冷卻水通道等。溫差發(fā)電片是利用溫差熱電材料的塞貝克效應(yīng)直接將熱能轉(zhuǎn)換成電能的一種溫差發(fā)電集成器。溫差發(fā)電裝置就是在汽車排氣管上加裝溫差發(fā)電片（在三元催化器前），利用高溫尾氣的作為熱源給發(fā)電片的一個表面加熱，在另一面水冷冷卻使發(fā)電片兩面形成溫差，從而產(chǎn)生電能，通過兩端的溫度差產(chǎn)生電能。溫差發(fā)電的效率與熱電模塊的性能、兩端的溫差及其在廢氣通道箱體上的布置形式有關(guān)。固定件冷卻水出口石墨紙尾氣通道箱體出氣口油液隔熱層半導(dǎo)體溫差發(fā)電片層冷卻水入口進氣口冷

8、卻水箱 圖2-1 溫差發(fā)電裝置三維圖 由于要降低成本，選擇低端的半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，作為該溫差發(fā)電裝置的核心部件，而限制了熱端的最高溫度（不超過200），因此我們在發(fā)電片層與尾氣通道箱體間設(shè)置一層油液隔熱層。 又因為尾氣進氣端與尾氣出氣端，有一定的溫度差存在，尾氣通道箱體的前端容易加熱。尾氣通道箱體的溫度分布不均，其前端溫度較后端溫度要高。箱體溫度的不均分布會導(dǎo)致溫差發(fā)電片的發(fā)電電壓不穩(wěn)定，而且容易損壞溫差發(fā)電片。所以我們需要在箱體與油液層之間，布置一層石墨紙。石墨紙能有效地抵抗熱能沖擊，使熱量均勻擴散。2.1 汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的核心部件半導(dǎo)體溫差發(fā)電片半導(dǎo)體溫差發(fā)電的基本原理如圖2-2所示

9、。它是由兩種不同類型的半導(dǎo)體構(gòu)成一回路，當(dāng)半導(dǎo)體的一端處于高溫狀態(tài)，另一端置于低溫狀態(tài)，兩端便形成溫差，從而產(chǎn)生直流電壓。半導(dǎo)體溫差發(fā)電具有無噪音、壽命長、性能穩(wěn)定等特點。圖2-2 半導(dǎo)體溫差發(fā)電片原理示意圖金屬導(dǎo)體絕緣體PN結(jié)熱端冷端直流電源（1）熱電材料的選擇汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電效率與熱電模塊的性能有直接關(guān)系。目前用于溫差發(fā)電的熱電材料大多是半導(dǎo)體，如圖2-3所示。它具有體積小、重量輕、無運動部件、壽命長、移動方便、可靠性高以及無污染等諸多優(yōu)點。無論汽車處于何種工況，該溫差發(fā)電裝置都可以實現(xiàn)對蓄電池進行穩(wěn)定供電。在不同的溫度范圍內(nèi)，熱電材料的轉(zhuǎn)換效率不同，其中熱電轉(zhuǎn)換效率較高的材料主要有如

10、下幾種，如表2-1所示。圖2-3 半導(dǎo)體溫差發(fā)電片TEC1-12076（40mm ×40 mm × 3mm）表2-1 不同溫度范圍的熱電材料選擇溫度類型溫度范圍/熱電材料低溫300Bi2Te3及其固溶體合金中溫300-600PbTe-SnTe高溫600-1000SiGe、MnTe、SiRe2、CeS等 （2） 單發(fā)電片的性能 某型號為TEC1-12076的發(fā)電片，其兩端電壓隨溫差變化的關(guān)系曲線，見圖2-4。圖中顯示，隨著發(fā)電片兩端溫差的增大，輸出電壓近似呈線性增大。 圖2-4 溫差發(fā)電片的溫差-電壓關(guān)系曲線研究表明，汽車尾氣帶走的熱量占燃燒燃料總熱量的25%-40%，尾氣溫

11、度可高達700800 ，根據(jù)圖2-4的發(fā)電片的溫差-電壓關(guān)系曲線，若能使發(fā)電片兩端保持溫差70，則可發(fā)出電壓3.0V，電流為0.1A2A。因此可以利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)回收尾氣余熱進行發(fā)電。（3）發(fā)電片的布置方式 目前，車載蓄電池的電壓一般為12V，充電電壓一般要求14V以上（小于16V）。本文單體發(fā)電片的規(guī)格尺寸： 40mm（長）×40mm（寬）×3mm（高），輸出電壓為3V，電流為0.2A。為減少汽車尾氣溫差發(fā)電裝置對汽車車身體積的影響，溫差發(fā)電裝置的體積應(yīng)越小越緊湊越好，但當(dāng)其體積越小，其矩形表面單位面積上排列的溫差發(fā)電片的數(shù)量就越少，所能輸出的電量也越小。綜合考慮，

12、發(fā)電片組將采用5片溫差發(fā)電片串聯(lián)（增大其電壓至15V）、4排串聯(lián)后的溫差發(fā)電片并聯(lián)（增大其電流至0.8A）的組合布置方式，每片溫差發(fā)電片間隔10mm，以便填充隔熱材料和導(dǎo)線的布線，如圖2-5所示。 圖2-5 半導(dǎo)體溫差發(fā)電片層中發(fā)電片排列布置方式示意圖3、 排氣管溫度分布實驗采用某型發(fā)動機排量為1.6 L乘用車，利用精密紅外溫度計，測出發(fā)動機在不同負荷下，排氣管外壁沿縱向等間距15cm各個測量點的溫度，起點為排氣支管，終點為排氣管末端。調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速改變發(fā)動機排氣熱負荷，在發(fā)動機1 000 r/min,2 000 r/min和3 000 r/min工況下測定各點溫度并記錄，獲得的各轉(zhuǎn)速下各測量

13、點溫度如圖3-1所示。 圖3-1 某款1.6L排量乘用車排氣管溫度分布圖 四、 汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的安裝位置 基于汽車尾氣所蘊含的大量熱量和溫差發(fā)電片的發(fā)電特點，結(jié)合排氣管溫度分布情況，溫差發(fā)電裝置選擇串聯(lián)安裝在汽車排氣管上，位于三元催化裝置之后和尾管消聲器之間，如圖4-1、圖4-2所示。當(dāng)發(fā)動機工作時，排氣管變熱，利用尾氣的高熱量給發(fā)電片的一個端面加熱，另一端面進行散熱（冷卻液水冷），使發(fā)電片兩端面形成溫度差，對外提供電能，并將產(chǎn)生的電能用于車載蓄電池充電，輔助汽車行駛，從而實現(xiàn)發(fā)動機能量的回收，提高燃料的利用率。汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換流程見圖4-3。尾氣出尾氣進 圖4-1 汽車尾

14、氣溫差發(fā)電裝置在排氣管的選擇安裝位置示意圖實際安裝位置 圖4-2 汽車尾氣溫差發(fā)電裝置在汽車中的實際安裝位置尾氣熱能電能冷卻水能蓄電池儲能汽車行駛動能溫差圖4-3 汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換流程五、總結(jié)在有限的經(jīng)費下，我們需要設(shè)計一款汽車尾氣溫差發(fā)電裝置。項目開展的過程中，我們需要考慮很多，要學(xué)會統(tǒng)籌全局。首先要顧及裝置實物制作成本，現(xiàn)有技術(shù)條件，所設(shè)計的發(fā)電裝置實用性，可行性。對于裝置的設(shè)計和制造，組員們需要各施己職，遇到難點時，我們會有不同的想法和建議，這項目讓我們學(xué)會溝通、學(xué)會了合作。初期，我們得到了兩個不同的方案，一個是以半導(dǎo)體溫差發(fā)電片為核心的汽車尾氣溫差發(fā)電裝置；另一個是以斯特林熱氣機為動力源，在帶動發(fā)電機，達到尾氣發(fā)電的目的。由于經(jīng)費的問題，我們選擇了較為簡單的方案一：以半導(dǎo)體溫差發(fā)電片為核心的汽車尾氣溫差發(fā)電裝置。在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，直接使用市場上的溫差發(fā)電片，以達到尾氣發(fā)電的目的；并且可以更換市場上不同規(guī)格的發(fā)電片，可實現(xiàn)不同效率的能量回收；該裝置結(jié)構(gòu)非常簡單，易制造，制造成本低改，在有限的體積情況下，實現(xiàn)4個受熱面，共100片溫差發(fā)電片共同工作；可以加載在絕大多數(shù)汽車上，實現(xiàn)節(jié)能減排。五、項目實施過程中存在的問題和建議：存在問題： 1、 項目經(jīng)費不足； 2、項目