基于热电式发电机的汽车尾气余热发电设计：目标与挑战

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1、基于热电式发电机的汽车尾气余热发电设计：目标与挑战摘要：新一代具有潜力的热电式动力汽车（通过回收汽车废气余热），可以取代交流发电机或提供额外的充电电池组车辆，随着热电材料的发展，这种新型汽车的数量不断增加。以汽油为燃料的车辆（GFVs），约40％的燃料能源通过余热被浪费，还有一小部分的能源量（30％）是通过发动机冷却液流失。因此，ETEG热电发电机在20世纪80年代一直被认为是以汽油为燃料的汽车应用的焦点。在过去二十年里先进的热电转换材料的换效率已经比以前提高了3倍。但是，这种系统设计的总体效率与其缺陷间存在矛盾。在余热发电中存在很多挑战，例如，用于提高效

2、率的换热器（冷、热箱），在不同的工作条件下使热电转换模块两个面保持足够的温度差，并将系统作为一个整体，减少热量损失。本文重点在于通过对过去20年中的热电系统设计实例进行逐个调查分析。本文组织如下：第一部分，构建一个模型用于描述ETEG。接下来讨论ETEG的热量和效率的平衡。然后，本文第三部分强调了ETEG设计主要目标和系统效率挑战。最后，回顾在过去二十年里ETEG设计研究的一些事例，主要是讲各研究机构应对挑战所研究并使用的方法。关键词：热电发电，汽车余热回收，能源管理141．引言任何汽车ETEG系统通常由四部分组成：一个热箱，热电模块，冷板，和一些装配部件

3、。热箱是尾气余热提取的组件，冷板是在热气通过热电转换模块后用于散热，装配部件可以提供足够的压力使热电模块与所有其他部件理想的结合在一起(Vázquezetal.,2002)。一个热电模块包含大量的N型和P型半导体，成对摆放，可直接将热能转换成电能(RoweandBhandari,1983)。在整篇文章中，缩写“TEMs”用来代表热电模块。绝热是任何ETEG系统的另一个重要组成部分，用来降低热箱的热量损失；同时热表面材料（即热油脂）必须适用于冷热之间的表面，热电模块可以克服两面之间的接触热阻。典型的结构和工作液体的流动如图1所示。图1典型ETEG的构造　热电

4、模块用组装元件（压缩弹簧和螺栓）固定在热箱和两个冷板之间2．ETEG热平衡与效率在内燃机中，约有40％的在燃料能源浪费在废气中，30％是消耗在发动机冷却液上，5％在辐射和摩擦中失去，25％用于机动车辆及配件(Yang,2005)。ETEG热量回收系统，往往从第一部分那40％中回收能量，但由于诸多因素，在当今的ETEG技术只有5~6％的回收效率(Kushchetal.,2001)。14图2　一个典型的热平衡ETEG结构。该系统的热平衡的解释如图2所示。Qin和Qout分别是汽车尾气通过热箱的入口和出口。Q0是通过热电模块的是有效热量。在该系统的热量损失表示为

5、Qlosses（参见方程（1）及（2）），Q1是来自于热箱没有被利用的表面通过热辐射和对流损失的热量；Q2是热电模块引脚的对流和热辐射造成的热量损失；Q3是通过装配部件热量传导失去的热量；Q4热电模块之间的间隙处的热量散失；Q5是热电模块接触热阻中的传导的热量。在图2中，热平衡模型可以表示为：Qin-Qout=Q0+Qlosses　　　　　　　　　　　　（1）Qlosse=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）ETEG的整体效率可以表示为：ηOV=ηom×ηHX×ρ　　　　　　　　　　　　　（3）其中热电模块的转换效率

6、表现为：　　　　　　　　　　　　　　　（4）P0是从ETEG输出电量。热电转换的热效率可表示为：　　　　　　　　　　　（5）　　　　　　　　　　　　（6）14每一个元件的热量损失的百分比以及通过热电模块的有用热量主要取决于ETEG的设计。但是，最近一个案例研究表明Qout占全部废气余热的45％，而另外45％是Q2、Q5和Q0的总和(Rowe,2005)。3．目标和挑战提高整体效率是任何ETEG设计的主要目标，效率的增加可以通过增加技术投入。减少热接触阻力（Q5）使热量散失降低来提高热电转换效率。它可以通过提供一个统一的对热电模块安装和在热/冷端和各模块之间

7、使用高导电导热界面材料。由于热箱和冷板通常导电的，热电模块应该是绝缘的，陶瓷片是理想的绝热绝缘材料，符合绝缘要求。经过绝缘片温度会下降10~15℃(Hi-ZInc.,1996)。其他解决办法，如硅和金属基脂可能不适合ETEG，因为模块的运行温度很高（>200℃），以及成本的考虑。有许多方法可以控制换热器的热效率。当热箱具有较大截面积，尾气进入热箱通道，速度会降低。这样气体的速度突然下降会形成了一个厚厚的热边界层，导致总传热系数大幅下降。内部鳍、和气和波纹面是消除这一边界层的影响最有利的解决办法。然而，要考虑到一个重要的因素是气体必须是自由的经横截面面积向前

8、流动的，因为它可能会导致发动机效率降低。为了尽量减少通过元器件传导