汽车尾气温差发电装置.doc

(完整word版)汽车尾气温差发电装置吉林大学学士学位论文（设计）承诺书本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。 学士学位论文（设计）作者签名： 2014年 6月 3日中文摘要由于世界工业化进程的速度加快，能源与环境危机越来越备受瞩目，寻找新的替代能源和开发高效的节能技术已被很多国家写入国策。在如今的能源利用体系下，大量的低品位能源充斥其中。单从汽车业行业角度来说，尾气中的能量流失是十分巨大的，如果能够充分利用这部分废气，对于提高燃油利用率乃至缓解能源问题具有非常重要的意义。本论文中为解决这一症结采取了汽车尾气余热半导体温差发电技术。温差发电技术是一种以温差发电材料为基础，利用热电效应将低品位能源转化为高品位能源的技术，因为它具有噪声小、磨损低、质量轻、安全可靠、性能稳定、环境友好、适用范围大以及不受温度所限等众多的优势，故而温差发电技术在工业废气等低品位热能的回收与利用上有很高的潜力。本文涉及的主要内容有如下几个方面：（1） 通过对研究背景和发展现状的研究，充分肯定了尾气温差发电的必要性和可行性。并通过比较各种尾气发电方式的利弊选取了合适的方案。（2） 深入了解了温差发电的原理，对实验装置结构进行了初步的探索，然后对其进行了详尽的热力计算和功率计算，确保可达到预期目标。关键词: 能源危机 汽车行业 余热利用 温差发电 ABSTRACTBecause of the faster pace of the industrialization,the energy crisisand environmentproblemis being more and more serious。To explorea new alternative energy sources or develop the energy-saving technologies efficientlyhas become a very importantnational policyin many countries.There is a large number oflow grade energy in the existing energy system. According to statistics, the loss of exhaust energy is enormous.To take full advantage of this part of the exhaust gas has a very important significance on improving fuel efficiency and alleviating the energy problem. Because thermoelectric generationtechnology has lots of advantages,such as low noise, low wear, light weight, safe and reliable, stable performance, environment friendly, wide application, not limited by temperature and so on,it has a great potential on the aspect of using industrial gas and some other low-grade energy.Thermoelectric generationtechnology isadoptedto solve this problemin this thesis. Thermoelectric power generation is a technique that change solar, geothermal, and other low-grade industrial waste heat energy into electrical energy by using thermoelectric materials. The main task of this paper involves as follows:(1) Based on the study of background research and development status, fully affirming the necessity and feasibility of exhaust power generation. And selecting the appropriate solution by comparing the pros and cons of various ways of generating exhaust .(2) Exploring experimental device structure preliminary by study the principle of thermoelectric power generation,and then make calculation of thermodynamic and power in detail,in order to make sure to achieve the desired goals.Key words: Energy crisis. Automotive industry. Waste heat utilization. Thermoelectric power generation.目 录第1章 绪论11.1 背景及意义11.2 研究现状21.2.1国外研究进展21.2.2国内研究进展31.3 主要任务5第2章 温差发电装置概述72.1 热电转化基本原理8一、塞贝克效应8二、帕尔贴效应8三、汤姆逊效应9四、焦耳效应9五、傅里叶效应102.2 温差发电数学描述112.3 温差发电的特点132.4 温差发电装置结构分析142.4.1热电转换模块142.4.2温差发电器152.4.3热电材料182.4.4热源202.4.5冷源21第3章 功率负荷计算233.1功率计算基本过程23一、热电偶的功率计算23二、热电偶的转化效率24三、温差发电器的输出功率263.2 参数选取273.2.1塞贝克系数273.2.2温差发电模块导热性能指数283.2.3温差发电模块导热系数293.2.4温差发电模块其他相关参数303.2.5热流体及气箱相关参数313.2.6冷流体及水箱相关参数323.2.7冷热流体平均温差333.2.8发电模块冷热端温差343.2 功率计算36第4章 温差发电装置的设计374.1 温差发电模块布置374.2热端气箱384.3冷端水箱394.5夹紧装置414.6关于结构的一些注意事项42一、结构材料42二、机械应力42三、湿气43第5章 总结45参考文献47致 谢49II第1章 绪论1.1 背景及意义从上个世纪六、七十年代以来，由于能源危机的频发加剧，能源短缺业已成为世界各国普遍重视的问题。世界各国在不断争抢能源市场份额的情况下，对节能减排的关注度也大大提高。但从汽车行业来讲，随着人们生活水平的进步，汽车早已成为低门槛的商品进入千家万户，也使得汽车对能源的消耗在总能源消耗中所占的比重越来越大。所以节能技术的开发越来越受到全世界的瞩目。众所周知，汽车耗能主要来自于是石油燃料，汽车行业的蓬勃发展和石油资源的严重短缺在我国现阶段已成为难以调和的矛盾。所以减轻环境污染和提高燃油利用率在现今中国有着不可忽略的战略意义。研究调查表明，汽车燃料燃烧所释放的全部能量只有三分之一被有效利用，其余大部分都散失或被排放到环境中，这在资源浪费的同时也加剧了环境负担。因此，将视线关注到汽车废气的利用或许是实现节能减排、开源节流的一个切实可行的途径。将汽车尾气中的低品位能源转化成可以直接利用的品位相对较高的能源具有十分重要的意义。这不仅仅体现在提高了能源利用率，降低了汽车行业的边际成本，更多的是还可以创造一个巨大的环境收益。据统计，中国的汽车保有量与日俱增，2003年，才只有不足三千万的占用率，而仅仅十年后，汽车保有率就飞增到1.3亿，这意味着平均每十个人，就会拥有一台汽车，这一亿多辆，近6背的增长率，恐怕是在任何国家都难以上演的。而汽车年油耗量高达两亿多吨，占全国平均能耗量的近6成份额。从我们已知的资料中，这其中有三分之二左右的能源没有得到充分利用，也就是超过一亿吨的油耗变成了低品位的废气，被排放到大气中成为环境负担。所以显而易见，对于工业废气的低品位能源利用，具体而微，是对于汽车尾气能源的回收利用在创造着巨大经济效益的同时，也潜在着不可估量的环境收益，故而在温差发电方面的研究不仅仅是一项简单的科研课题，它肩负着无比重大的意义。1.2 研究现状1.2.1国外研究进展19二十年代初期，物理学家塞贝克发现了一个当时似乎并不很受重视但对后世意义深远的发现温差发电效应，又称为塞贝克效应。此后温差发电作为一个物理学小分支，被广泛的研究开来。再加上第二次世界大战末期半导体材料的发现，温差发电更是迎来了其最辉煌的一页。20世纪四十年代末，第一台温差发电器问世，虽然效率仅仅才达到1.5%，但这充分证明了温差发电的可行性。随后，50年代初期，前苏联科学家loffe院士成功将温差发电应用于民用领域利用温差发电装置，在偏远山区，将煤油灯、拖拉机等低品位热能成功转化成电能。到了60年代，热电材料得到了很好的发展。人们陆续发现了Bi2Te3、 PbTe、SiGe等高优值的温差发电材料，又由于当时两极形式的国际环境下，苏美双方展开包括军事科技在内的多方面国力竞争，促使温差发电得到了飞速的发展。其结果是到了60年代末期，苏联就已经完成了千逾个温差发电器，输出功率大多在100w以内，寿命达到10年以上。这些温差发电器大多被应用在航空、航天、航海等领域，效果斐然。美国自然不会落后1977年，他们发明并用以进行太空探测的RTG温差发电器，功率已可高达近160W，随后到了80年代初，又有大量高功率温差发电器被用军事，甚至大批次的成为部队武装。除了军事竞争的原因，由于环境污染和能源短缺的缘故，温差发电的研究越来越被各个国家所重视，很多国家甚至已将其列于长期国策当中。比如日本就通过废污燃烧来回收能源，并以此为课题在国内大范围展开，它主要利用的是焚烧固体废物产生的热能，通过温差发电器将其转化为电能并予以收集。这既达到了保护环境的目的又使废物得到高效率的回收利用。21世纪初，美国开始大规模资助各高校在温差发电及高优值温差发电材料方面的研究工作，重点是低品位的工业废热利用。这也是温差发电技术发展至今全世界都在关注的一个重要。除此之外，其他形式的温差发电设计也是层出不穷。比如德国有科学家以夏日的高温地面为热源，利用热管采集热量，并使用多组温差发电器，当管内流体流速到达一定程度是，会产生很客观的一部分电量。还有人通过在房顶放置集热器，以太阳能和周围环境的温差为对象，利用温差发电器带动轴流风机，可到达降低屋顶温度或作为室内空调的用途。在汽车领域中，美国能源幻境总署曾与纽约能源开发中心合作研制了一种汽车尾气余热发电装置，该装置以碲化铋为温差发电材料，制作出20组温差发电模块，可以保证当车辆运行时速超过每小时一百千米时产生最大可到近三百瓦的功率输出量。直到去年，宝马公司和BSSt的科学家共同发表声明，将在2013年推出携带有温差发电器的商用汽车。1.2.2国内研究进展较之于国外，我们对于温差发电材料的研究开始时间较晚，速度也比较缓慢。最早是在70年代末，中国科学研开始着手温差发电材料的研究，并计划用于红外线探测仪等小型电子设备的研发商，但因技术所限，大多局限于几种传统材料上，并没有实现什么质的突破。在汽车领域，我们和国外也具有不小的差距。虽然温差发电装置的研制略有成果，但是无法达到标准化、系统化。另外由于温差发电材料的开发和研究比较落后，实验结果效率较低，所以还不能真正的进行整车研发或者投入生产。故而相比于国外，我们任重而道远。但是有一些成绩还是很令人骄傲的。在我国973计划支持的项目中，有一项是由武汉理工大学和上海某研究所联合展开的对于新型高优值半导体材料研制的课题。在国家的大力扶持下，他们成功的研制成了一种新型低温温差发电材料鍗化铋，与已有的传统材料相比，它的性能可以高达近2倍。厦门大学从工程热力学角度展开研究，成功的在材料结构参数和其发电效能之间找到了一条连接的桥梁。从理论角度得出了温差发电材料效率和性能的推导公式。吉林大学在1997年时率先将温差发电技术应用于汽车上。当时使用的热电材料是PbTe，实验对象是一台解放柴油货车J141，实验取得成功，虽然效率还不足3%，但是温差发电装置的功率足可以取代一个约350W的温差发电机。除吉林大学外，华南理工大学也是较早研究汽车温差发电装置并取得较好成绩的高校。他们利用FLUENT、MATLAB、ANSYS等流体力学或仿真软件对温差发电模块的性能进行了细致的模拟，并针对整车，进行了仿真分析。由以上的发展现状可以看出，虽然温差发电装置的研制已小有成就，但是还仅仅处于初期阶段，尤其式和国外相比，我们的劣势更为明显，主要是由于高性能热电材料的开发以及如何提高温差发电器的效能。在这方面，国内的最高效率也仅仅不足百分之二十。功率也不在1000w，所以很难系统化、标准化的装配到汽车上，更无法取代已有的车辆发电方式。所以靠温差发电来实现能源回收利用还有很长很长的一段路要走。1.3 主要任务使用汽车尾气的能量流进行发电，主要有四种可行办法，他们分别为用利用热电材料温差发电技术、利用氟利昂的废气透平发电技术、利用尾气带动涡轮机发电技术和利用斯特林循环发电的发电技术。半导体温差发电。温差发电是一种环境友好的发电方式，它是通过半导体热电材料将热能直接转化为其他形式的高品位能源。这项技术起步于20世纪初，但因技术原因未能一上历史舞台变大放光彩，仅仅应用于军事，航空或温度极为特殊的情况下。直到后来随着半导体应用的成熟，温差发电才逐渐得到重视。在汽车方面，日本曾较早研制出温差发电的小型发电机，功率仅为100w，能节省大概5%左右的燃油，引起了广泛关注。此后，美国率先研制出了应用于大型货车柴油发动机的温差发电装置，功率可达1000W。现在，包括我国在内的世界各国都开始对汽车尾气温差发电展开深入研究。其中研究成果比较显著的主要有吉林大学、西安交通大学、武汉理工大学等高校。利用发动机废热的氟利昂透平发电。 这项发电技术的主要材料通常是氟利昂等低沸点物质，由于具有在较低温度下就能成为高压气体的特性，以此为工质，利用尾气温度将其从液态转化为高压蒸汽进而推动发电机做工。它的最大局限性在于工质相变过程中的吸热阶段会使尾气温度快速降低，以至于无法得到一个较高的效率。废气涡轮发电。这种发电方式的主要原理是利用汽车尾气的能量对涡轮机做功，进而带动发电机发电。这种设想在国内最早由青岛大学提出，并由于此项设计获得相关专利。其他国家也做过类似的实验装置进行废气利用，虽然可行性分析证明了利用废气带动涡轮机发电的确可以为汽车提供质量可观的电能。但是人们后来发电这种装置可能潜在着影响汽车机工作性能的弊端，故而大都浅尝辄止，未进行更深层次的研究。但是此项技术在柴油发动机上有着较好的表现，对于提高内燃机经济性做出了不小贡献。利用斯特林循环原理发电。斯特林发动机属于外燃机的一种。它的工作环境是一闭式循环的回路，工作方式是通过气缸容积的变化来控制工质的运动途径：在低温热源压缩工质，再在高温高压的环境中膨胀，以此获得正的循环功。重复上述过程将热能转化为机械能，由量变达到质变，再有机械能转化为电能。斯特林发动机于19世纪初发明于欧洲一牧师之手，主要目的是带动水泵工作。但由于时代技术等客观因素限制，当时的斯特林发动机效率极低，未能大面积发展开，更是被后来的内燃机所取代替并淘汰。但是由于其振动小、噪声低等特点并未被人类完全抛弃，在技术相对成熟的今天又得到可发展的新阶段考虑到方案各自的优缺点及实验的可行性，在这里我们选用半导体温差发电。49第2章 温差发电装置概述温差发电系统实际上是一个非常庞大非常复杂的系统，它不仅仅包括简答的温差发电模块或者温差发电器。它的主要组成部分分别是：1、 内燃机。它是整个温差发电系统的全部能量来源，即热源。属于输出部分。2、 循环水箱。它是温差发电系统的冷源。是独立于车体本身的外置结构。和内燃机热源一起形成温差，为温差发电提供基础。3、 温差发电器。它是温差发电系统的主体部分。温差发电器由多个串并联的温差发电模块组成。可以说是控制整个系统性能好坏的中枢。它主要是利用热电效应，将冷源热源二者形成的温差通过其半导体温差发电材料转化成品位较高的电能，达到废气能源回收利用的目的。4、 管道。管道包括废气流通管道（或称气箱）和水的流通管道（或称水箱），二者分别起到保证冷热流体稳定在指定位置流动的目的。是整个温差发电系统的“血管”，起到运输作用。5、 散热器。由于冷源和热源分别通过温差发电器两侧时会产生一部分热交换。即作为冷源的冷却水温度会升高。而且不同于作为热源的废气是一次性利用的，冷却水必须循环使用才能保证温差发电系统的顺利进行。所以在冷却水进行冷却作用后回到水箱这一过程中，必须设有散热器装置才能保证冷却水回到水箱时降低到指定温度。散热器就像是“汗毛”，保证了系统在温度方面的平衡与稳定。6、 蓄电池。由于废气的排放既热源具有不稳定性，因为热源会随汽车行驶工况的不同而变化，而且我们并不能保证温差发电系统产省的电能都能够完全及时的被汽车重新利用。所以我们需要一个储存这部分电能的设备，也就是蓄电池。7、 夹紧装置。夹紧装置并非温差发电装置的十分重要组成部分，但是却是不可或缺的。它可以视作温差发电系统的“骨骼”，保证了温差发电系统其他部件的稳定性，对整个系统起到支撑和保护作用。在本次毕业设计中，主要对主体部分即冷源、热源、管路、温差发电器和夹紧装置进行了细致研究。其他部分未做更多赘述。2.1 热电转化基本原理热电转化的基本原理主要依据于热电效应。热电效应又被叫做温差电效应，主要由五个部分构成，分别是塞贝克效应（1821年）、帕尔贴效应（1834年）、汤姆逊效应（1856年）、焦耳效应（1841年）和傅里叶效应（1832年）。热能转化为电能或者电能转化为热能皆是依据于上述效应。一、塞贝克效应1821年一位德国的科学家赛贝克无意中发现：如果将两种性质不同的导体连接在一起，构成封闭的回路，并将两个结点各自放在温度不一样的环境中，回路中会产生电流。如果把磁针放在电路附近，磁针会发生奇妙的偏转现象。并进而对各种金属进行了实验总结，找到了电流流动的规律，成功制造出第一块温差发电电池。这一发现后来又被人们通过无数次的实验证实，并命名为塞贝克效应，一种因温差而产生的热电效应。这一效应奠定了后续温差发电的基础。二、帕尔贴效应1834年，一位法国物理学家的帕尔贴因一个发现登上历史舞台。他发现，将两种不同金属连接成为一个热电偶，并通以一定强度的直流电流，会在两个节点处产生热现象一个节点因吸热而温度升高，一个节点因放热而温度降低。即在通电的热电偶中产生了热量转移。这个现象后来被称为帕尔贴效应。她是塞贝克效应的反效应。实际上塞贝克在1821年也曾发现过这个现象，但是由于在后续的实验中出现了推论错误，所以未能得出其背后真正的科学意义。还值得一提的是在19世纪三十年代末，俄国物理学家楞次又发现，帕尔贴效应中吸热还是放热与电流的方向有关，而且放出或吸收的热量与电流的大小是正比关系。三、汤姆逊效应1856年，36岁的天才英国物理学家汤姆逊岁对塞贝克和帕尔贴的实验成果进行了深入的研究对比，并突破性的发现了二者之间的联系，即在超低温的环境下塞贝克系数与帕尔贴系数成倍数关系，并进一步的预测了当电流通过温度不同的同一种均匀导体中时，除产生既定的焦耳热外，还会吸收或放出一部分汤姆逊热。相反的同一金属当两端置于不同温度环境时，会有电动势产生。这可以简单的理解为温度不同的两端电子活跃程度不同，电子会从温度较高的一段流向较低的一段，因而产生电动势直至两端电子活跃程度平衡。可见，不同于塞贝克和帕尔贴效应，汤姆逊研究的是同一金属内部的热电转化问题。故而相比于前两者，它更多的是一种二级效应，产生的热量或电流极低。所以在一般计算时通常忽略不计。但是在温差较大的情况下考虑汤姆逊效应会在一定程度上提高计算精确性，因为在这种情况下汤姆逊效应会变得相对明显的多。四、焦耳效应焦耳效应即为焦耳定律所要表达的：单位时间内导体产生的热量在树枝上等于导体的电阻和流经导体电流平方的乘积。 （2-1）其中，焦耳热。通过导体的电流导体的电阻导体的电导率导体的长度导体的截面积五、傅里叶效应在单位时间内，流过导体横截面的热量，与热量传递方向上的温度梯度成正比。 （2-2）其中，导体的热导率和总热导导体的截面积导体的长度热端绝对温度冷端绝对温度以上所述五个基本效应是全部热电相互转换的基础，正是基于这些效应，各种热电转换装置得以被发明，从而实现热能与电能之间的互相转换。我们似乎看出，各种热电效应的关键点都在导体接口处，但实际上，温差电效应并不是单纯的点效应，它的工作过程是完整贯穿于整个导体或半导体系统中的，它是一种体效应。以下是关于上述各效应之间需要区分的一些知识。(1) 由公式中可以看出，汤姆逊系数与电流成正比关系，而焦耳热则与电流的二次方成正比。所以当电流从一个微小值逐渐增加的过程中，最开始汤姆逊系数增长的或较为迅速，但达到一定程度以后，焦耳效应将会高过汤姆逊效应的变化率。 (2) 正如上文所提过，塞贝克效应和帕尔贴效应的研究对象都是两种不同的导体或半导体，而汤姆逊效应研究的则是同一种金属或半导体的特性。所以，也就是说，塞贝克系数和帕尔贴系数都是两种材料特性综合后的相对值。而汤姆逊系数则是某种金属或半导体所固有的特性。汤姆逊效应和帕尔贴效应的相似之处在于他们皆为可逆的。不同之处在于汤姆逊效应发生在同一金属存在温度梯度的部位。而帕尔贴效应存在于量不同金属或导体的连接处，而且在树枝上要比汤姆逊系数大得多。(3) 虽然帕尔贴效应发生在接触点，但是其帕尔贴系数和接触点状况并无一丝关系，主要取决于接触的两个导体或半导体的自身特性。(4) 和汤姆逊系数类似，帕尔贴系数也是与电流成正比，而且吸放热情况完全取决于电流的方向。这点和焦耳效应很不同，焦耳效应和电流的二次方成正比，而且始终是放热过程，与电流方向无丝毫关系。2.2 温差发电数学描述温差发电基本原理主要是依托于塞贝克效应。是利用两种相连的不同导体或半导体进行热能和电能转化的一种技术。具体来说，是将两种特性不同的温差发电材料P型半导体材料和N型半导体材料一段相连成一个PN结，并置于温度较高的环境中，详情如右图所示，另一端处在相对低温的环境中，由于两侧温差的存在，P型半导体的空穴向N型半导体扩散，N型半导体的的电子向浓度较低的P型半导体扩散，从而形成了一定的电动势，这就是通过热电材料由低品位热能热能转化成电能的简单流程。但是由于单个的PN结的发电功率十分有限，所以为了得到一定程度的电能，必须要对多个温差发电模块结进行组合，从而形成发电功率较大的温差发电器。图2-1 塞贝克效应示意图如下图所示，为半导体A和半导体B连接成的闭合回路，两节点分别处于温度不同的环境中，然后又电压表即可观察到电路中存在电动势：图2-2 温差发电原理示意图即， （2-3）为温差电动势，；是温度较高的结点的温度，单位是K；是温度较低的结点的温度，单位是K； 是所用的两种材料的绝对塞贝克系数之差，单位是V/K。2.3 温差发电的特点温差发电是一种利用温差热效应，将低品位的废气热能转化为高品位电能的一种新型发电方式。相比于普通的发电方式，温差发电具有很多传统方式不可比拟的优势。（1）因为温差发电过程利用的是温差热效应，故在其工作过程中，不会产生额外的机械运动损失，也没有附加的噪音和震动。（2）由于没有运动部件，所以温差发电装置的体积相对更小，结构更为紧密，重量更为轻盈。使用寿命相对更长。稳定性较好。（3）结构简单，故而装配、拆卸、维修过程都会相对很简单。（4）温差发电是一种环境友好的发电方式，原材料为具有热电性能的温差发电材料，不会产生额外的环境污染。（5）适应范围极广。人们从未停止对温差发电材料的探索和研究，温差发电材料的可适温度范围和发电性能也得以不断提高。故而在大多数的温差情况下，都会有合适的温差发电装置可供选择。当然，除上述优点之外，温差发电也具有不可忽略的劣势，就是发电效率极低，相比于传统的发电方式也是远远不如的，故而在温差发电方面的研究，虽然人们也取得不小的成就，但是距离真正的应用，还任重而道远。2.4 温差发电装置结构分析2.4.1热电转换模块温差发电模块作为温差发电系统最基础、最最关键的一环，能够降低品位热能直接转化为高品位的电能，其性能主要取决于温差电材料本身的特性以及当前的工艺制造水平。 分别将P型半导体材料和N型半导体材料连接到一起，当两个接点处于不同的温度环境下，会发生电子转移，继而有电动势出现，这是一个PN结。将多个PN结按照一定的规律连接到一起，便会构成一个一温差发电模块。温差发电模块的具体结构如下图所示。上下两侧是绝缘的陶瓷板，中间的部分是N型和P型半导体。然后一侧有两个接线柱，用来将产生的电流传到下一环节。 图2-3 温差发电模块2.4.2温差发电器温差发电效率是多种因素共同作用的结果，一个温差发电模块的性能好坏不仅仅与温差材料自身特性有关，还取决于温差大小、工艺水准以及外部布置情况。所以，在其他条件不变的情况下，温差越大，发电模块产生的功率也会相对加大。现在，已经有温度承受范围高达600摄氏度的温差发电片投入量产，虽然发电效率依据不高，但是也可以达到近50w左右的功率。然而在平常的实验或生产中，并不会时常遇到这么高的温差，如汽车尾气研究中，其可用尾气温度也仅仅为200多摄氏度，在这种情况下，发电模块产生的功率就显得很微不足道。所以此时，就需要用其他方法将功率提高到指定数值比如将多个温差发电模块连接到一起，形成一个大的发电组，就可以产生更大的功率。在对这种情况进行研究时，人们发现，将多个单体温差发电片串联起来，可以增加输出电压。将多个单体发电片并联起来，可以增加输出电流。这和我们已知的电阻串并联特征十分类似。这种将发电模块串联或并联起来形成的指定结构叫做拓扑结构。但是有一点需要值得注意，由于其他不可控因素太多，比如冷热流体的传热，会导致拓扑结构中各单体温差发电模块的温差不尽相同。然而这个时候问题就出现了：总的发电功率可能并不等于所有单体温差发电模块之和，而是要略低于后者。这是因为温度不同的温差发电模块连接在一起时，串联会限制电流，并联会限制电压，即串联的各个温差发电模块的电流相同，但都等于最小的模块电流。并联时发电模块电压相同，但是都取决于最低电压。这种消极的差异性，使得拓扑结构并不能完全让人们随心所欲的布置发电模块，而是要有规律的将性能比较接近的温差发电模块布置在一起，尽量减小因发电模块个体差异而导致的整体功率损失。温差发电器的发电特性除了取决于材料性能和串并联方式外，还取决于外部结构的布置。对于温差发电器，现在主流的布置方式有两种：柱式和板式。柱式：柱式也称圆筒时。它多为横截面为多边形的柱体，它的特点是将温差发电模块布置在内部侧面，所以优势是气箱的表面积的利用率很高，而且由于气体是轴向流动，所以径向对称不值得温差发电模块将会有很高的温度均匀性。但是其缺点也是不可忽略的，比如结构复杂，所以安装、拆卸和维修起来都不较困难。而且由于中心是空的，所以体积利用率不大，占用空间过高，并不适合在位置有限的环境中使用。板式:板式气箱也叫做平板式气箱，它的特点和柱式气箱刚好相反，形状多位单一的扁平长方体，里面布有翅片折流板等装置加强气体在气箱内的流动时间，提高换热能力。它的优点是结构布置简单，装配拆修及后续维修都十分方便，而且体积可随需要随意改动，适应范围比较广。但是缺点是表面利用率不如柱式气箱高，而且当气体沿横截面方向通过气箱时，由于内部热电模块布置不对称，会使得单体发电片的功率不同，从而由于短板效应，使得总体的发电效果大打折扣。类型结构特点优点缺点板式结构为扁平长方体，内部设有翅片折流板。由于结构原因，必须要求冷端也为平板式结构易于安装和拆修。传热性能好工作稳定。采用夹板式加紧方式，稳固牢靠。表面积利用率不高，由于体积较大，现阶段只适用于大型卡车上的温差发电装置。噪音无法避免。由于温度不均匀导致温差发电模块发电功率有所差异。柱式截面积多为五边形或六边形的柱体结构。冷端布置在箱内侧。表面积利用率高。由于是一体式结构，所以结构刚度很好，性能稳定散热效果不如板式气箱。体积太大，适用范围较窄。结构复杂，不利于装配与维修。表2-1 板式和柱式气箱对比此外，还有一种不太常见的布置方式网状温差发电。网状温差结构是由国内率先研制成功的。不同于柱式气箱和板式气箱。网状式结构式是将模块布置横竖交替的网状结构，并采用轴向叠加的方式。这种温差发电结构的优点在于精简了结构尺寸，使得整体体积变得更小，但缺点是发电功率较小。在这里，我所选用平板式的气箱结构，具体形式如下。 图2-4 平板式气箱结构 接下来需要对整体结构的夹紧方式进行研究，由于是板式布置，加紧方式主要有两种：一种是机械固定法，一种是粘结法。考虑到尽可能简化装置的装配维修难度，所以采取了机械加紧的方式。这种方式的模块无论是受热还是受力都更为均匀。缺点是存在接触热阻。图2-5 机械固定式加紧2.4.3热电材料提到温差发电材料，首先要引入一个重要的概念优值。优值是判定一种温差发电材料发电能力高低的评价标准。优质系数的符号是Z，Z的表达公式是 （2-4）式中，为电导率，它的值和电阻率互为倒数，单位是。人们也常常用ZT来替代白表示Z，其中T是材料温度，单位是K。这是因为优值的单位是1K-所以可以用ZT这个无量纲系数来反应热电材料的发电能力。从上面的表达公式可以看出，优质系数Z和电导率成正比，和塞贝克系数的二次方程正比。这是因为电阻率越小，说明电阻值越大，由于焦耳效应焦耳热等和电阻值成正比，就会产生更高的焦耳热，以至于优值减小。而热导率大，则说明材料的传热性能好。冷热端换热过程温差损失小，所以优值就更大。因此，在可行范围内增大塞贝克系数、选用热导率高并且电阻率低的材料可以获得高优值的材料。但是为什么人们依旧无法使优值达到一个相当高的水平。这是因为电导率、热导率以及塞贝克系数并不是彼此毫无关联的三个量，三者互相约束，而且都是另一个概念的相关函数载流子浓度。由于内容所限，本文不进行赘叙。为了提高问起温差发电装置的发电效率，重点就是使用优质系数较高的半导体材料作为热电材料。科学家对这方面的研究从来不曾间断。并且发现很多材料，包括硒化物、硫化物等都适合作为温差发电材料。但是更多的，我们还是喜欢选用半导体材料作为热电材料。因为半导体的广泛性，使得它在各种温度下都能找到合适的适配品。下面列举了一些不同温度下十分常用，而且性能很好的材料。Tempera-ture(K)100Bi-Sb200300Bi2Te3Related400500600700800900100011001200TE MaterialsHeusler CompoundsZn-SbHalf HeusterClathratesPb-TeTAGSMn-Si、Mg-Si、SilicidesCluster CompoundsSulphidesSkutteruditesLavered OxidesZintl ComoundsSi-GeBorides表2-2在不同温度范围内可选的热电材料温度类型温度范围/C热电材料低温300Bi2Te3及其固溶体合金中温300600PbTe-SnTe高温6001000SiGe、MnTe、SiRe2、CeS等表2-3 常用热电材料在上图所示的所有热电材料中，Bi2Te3是使用范围最大的。因为温差发电装置的使用温度处在低温范围的相对较多。而且Bi2Te3的优值较高，在室温下就可以达到1。尽管如此，它的发电效率相比于传统的发电形式要低得多。除非有朝一日，人们可以研发出优质更高的半导体材料，那才是温差发电真正大放光彩之时。2.4.4热源由于发动机排出的废气再流经排气管通不同位置时会有不同的拍温度，所以为了找到一个合适的位置布置温差发电装置，我们需要对整个废气排放过程中流经的各个位置都进行温度测试。采集设备是是红外线温度计。在研究测试中我们发现，汽车尾气在不同位置的温度情况大致如下图所示，我们可以看出随着汽车尾气排放到大气过程中，整体温度是不断下降的。这很明显是因为在排气过程中产生大量的热量损失。除此之外，还发现在中间消声器处温度变化有一个较大的浮动。这是因为的主消声器的空间体积较大，废气流过这里是会突然体积膨胀。而且由于在这个过程中尾气不会有额外的热量产生。可以将这一环节十足气体的等熵定常流动状态。状态方程是 （2-5） （2-6）显而易见，在尾气排放的过程当中，当尾气体积变大时，温度会随之减小。图2-6汽车排气系统布置图2-7 排气管测量位置能量品位也会逐级递减。所以似乎选择在催化转化器处布置温差发电装置最为合理，但是由于这里废气的排放温度过高，而温差发电材料收到温度的制约比较严重，故而为了保证温差发电模块可以有一个更好的工作环境，则将热源处选