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、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，用于提高效率的换热器（冷

2、、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。 关键词关键词：热电发电，汽车余热回收，能源管理 21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。热箱是尾气余

3、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(Vzquez et al., 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(Rowe and Bhandari,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 热电模块用组装元件（压

4、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 56的回收效率 (Kushch et al.,2001)。3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 Qlosses （参见方程

5、（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：OV=om HX （3）其中热电模块的转换效率表现为：m =发电量热电模块吸收热量（4）m =00P0是从 ETEG 输出电量。热电转换的热效率可表示为： =实际转移的热量最

6、大可能转移的热量（5） = 0+ 4 - （6） = 0 0+ 4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4ETEG 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

7、求。经过绝缘片温度会下降 1015(Hi-Z Inc.,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造成的热量损失，与热箱直接接触元件的数目应尽可能减少，同时自由表面应严格的绝

8、缘。 比率（）也可以通过减少热电模块间隙中的空气散热而提高。用绝热材料可以有效的实现防止热箱表面的热对流。此外，喷涂保温与电导率高达 0.03 W / mK 的涂层也是很实用的，它适合持续高温下使用。 冷板的作用是在任何工作环境下为热电模块提供足够的冷却，也是在ETEG 中另一个对热有很高要求的元件。一般来说，根据系统散热可以将冷板分为两种类型(Saqr and Musa, 2007):1. 以散热器为基础的冷板 2. 以散热片为基础的冷板 在第一种中，冷板将废气的热量通过发动机散热器冷却液（即水）将热量耗散，而在第二种的冷板是通过散热片周围环境的空气将热量带走，参见图3（a） 56图 3 （

9、1）基于 ETEG 散热器 （二）ETEG 散热片冷板和图 3（b） 。在散热器的冷板（图 3（a） ） ，冷却剂泵及管道通常需要调整大小，以弥补额外的冷却负荷。如果 ETEG 在低温梯度下操作，冷板散热片的效果比较好。这种技术利用了车辆运动的优势，在冷板上形成了气流湍流。 4回顾 ETEG 的研究 第一辆应用 ETEG 的汽制造于 1963 年(Neild, 1963)，但是在这一领域的很多项研究已经进行了超过二十年。在这部分中，我们给出三个研究的例子来讨论 ETEG，解释各研究团体是如何在设计时应对挑战，并强调 ETEG 技术的一个最重要的发展过程。 41 1 千瓦的 ETEG 1992

10、年 Hi - Z 公司设计了一款用于安装在柴油卡车上的 ETEG(Bass et al.,1992) 。在 ETEG 上一共有 72 个 HZ- 13 模块用于发电。这些模块中的每一片都包含 49 对基于热压碲化铋的热电材料。该模块尺寸为 5.3 平方厘米，0.5厘米图 4 ETEG 横断面7厚，重量 82 克。热端和冷端设计温度分别为 230 和 30(Hi-Z Inc., 1996)。 ETEG 的总长度是 48.26 厘米，总直径 22.86 厘米，总体重 13.6 公斤。 热箱是一个截面为六边形的盒子。铝质的冷板用于散热。热箱用平板钢板焊接在一起，形成一个六角形的形状，这些钢内部一共有

11、 90 个纵向鳍以加强废气通过热电模块是的热传递。下面的热电模块所承受热箱施加的压力是每平方厘米 14 公斤。这种压力来源于使用 Belleville 弹簧，使热电模块与热交换器之间的接触热阻表面最小（见图 4） 。该设计可以生产出 1 千瓦的电能，但是当时采用了 14 L 康明斯 NTC 325 发动机实验测试平台，ETEG 只产生了 400 瓦的电能，还不到目标的一半。从温度分布测量中可以总结出，导致发电量减小的原因是废气流动过程热箱的截面积增大使气体的速度降低引起的(Bass et al., 1995)。 为了解决这个问题，鳍数从 90 个减少至 32 个，并且鳍的长度增加以保持传热面积

12、不变。各鳍之间是间隔的在空间上增加 0.953 厘米，使间距达到 3.81厘米。 此外，漩涡鳍安装在热箱上，以确保废气充分与热箱接触。Hi Z 1千瓦的实验数据的如下表：表 1 从 1 千瓦的 Hi - Z ETEG 已有实验结果热端热交换器 冷端热交换器材料 碳素钢 材料 铝热导率 50 W/m.K 热导率 204 W/m.K工作液 废气 工作液 水入口温度 入口温度 出口温度 出口温度 ETEG 从热端转移到冷端的热量(Q0+QLosses) 测试发动机 康明斯 14 L最大功率（P0） 1068W发动机工作在 ETEG 的最大功率条件 1700 转 300 马力在最大功率测试条件下 ET

13、EG 整体效率（ov） 1.3%热电模块转换效率（m） 4.5%在 ETEG 最大功率世热电模块表面的最大温差 25084.2 35.6 W ETEG 1998 年，日产汽车公司公布了一个基于 SiGe 的 ETEG 实验测试结果。该发电机包含 72 个基于 SiGe 的模块。在冷端与热端温差 563K 时，每个模块生产 1.2 W 的电能(Ikoma et al., 1998)。该 ETEG 外形尺寸为 44018070 立方毫米，总重量为 14.5 公斤。这些模块被安装在 304 合金制成热箱和两个铝制的水冷式外套之间，如图 5 所示。内壳有一矩形截面和两个与该模块的热端接触到光滑的表面。

14、为了把尽可能多的热量传递到热电模块，换热片形成与气流平行的内壳。 该模块摆放成十二排（M1 到 M12） ，每行三个模块，每片间隔 10 毫米；因此热电模块所占据的面积仅有内壳面积的 55。图 5 日产 ETEG 结构示意图对一辆 3000cc 汽油发动机的汽车以 60 公里/小时的速度爬坡的条件下进行测量。燃烧室是长条形，用于模拟发动机排气所需的工作条件，测量发电机的温度分布，并评估了发电机的电功率。燃烧所产生废气分为两条去向。一条线是连接发电机，另一条通过旁路流出。通过改变空气与燃料比（A/ F）和进入9燃烧室的空气流量来控制温度和燃烧室所排放的气体。通过调整每个入口的直径，实现对进入发电机的排气流量的控制，如图 6 所示。 图 6 日产 ETEG 模拟发动机燃烧室排气测试。实验结果说明如下表： 表 2 35.6 W 的 ETEG 燃烧试验的实验结果热端热交换器 冷端热交换器材料 SUS304 材料 铝热导率 215W/m.K 热导率 204 W/m.K工作液 废气 工作液 水入口温度 592 入口温度 35出口温度 527 出口温度 39.5ETEG 从热端转移到冷端的热量(Q0+QLosses) 4KW测试发动机