摘要：汽车自诞生至今，为人类带来方便的同时也造成了不小的环境破坏。随着化石能源的日益枯竭，国家对汽车环保性能的要求日益严格。汽车发动机的热能利用率目前约为30%，其余部分热能则以冷却水、尾气等方式带出发动机。温差发电是一种基于塞贝克效应的固体发电技术，具有体积小、无噪声等优点。在汽车尾气排放管特定部位安装上温差发电系统，有利于提高内燃机的能源利用率。该技术目前主要研究方向在：排气管道内部阻流设计、半导体材料的ZT值提高、发电系统散热方式的探讨以及与汽车其他组件的匹配性能探讨等。因温差发电材料的热电转化效率较低、温差发电系统成本较高，致使该技术仍处于实验研究阶段，仍得不到普及。但在全球环保要求日益严格的时代，汽车尾气温差发电仍是一种节能减排的有效技术，值得深入的研究与探讨。
关键词：塞贝克效应 温差发电 节能减排 汽车尾气 冷却系统
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引言：
汽车发动机虽已经历过百年的发展，但其热效率仍只有30%左右，剩余约30%—45%的能量则是以汽车尾气的形式被带出内燃机，造成了较大的能源浪费[1]。热电材料是一种具有广泛应用前景的环境友好材料，其无传动部件，工作无噪声，无排弃物，对环境无污染，且寿命长。温差发电技术可将汽车尾气排放的大量废热转变为电能进而回收起来，从而提高能源利用率，实现节能减排的目的。温差发电器件（TEG）的输出功率与其两端的温差相关，温差越大，输出功率越大。除此之外还与热电材料的电压降系数、热导率等值相关。电压降系数、热导越大，则TEG能够更多的将热能转化为电能。温差发电作为一种清洁能源产生方式，具有较大的应用潜力，但因受到成本及热电转化效率的限制，目前还未得到普遍应用。
1.温差发电原理
温差发电技术具有无运动部件、无噪声、无污染等优点，因此在各类高温窑和汽车尾气的废热回收、热电制冷、太空探测器的电源等领域得到广泛应用[2]。此技术基于塞贝克效应，将P型和N型两种不同类型的半导体材料相连形成一个回路，若两个接头处存在温差，则回路中会产生电流。因此，由多对PN串联而成的温差发电器件便可以将高低温间的热能直接转化成电能。
2.汽车尾气温差发电技术的研究现状
2.1热电材料的无量纲热电优值ZT
热电材料是一种可实现热能与电能直接转换的功能材料。为了能在更多领域得到推广，热电器件要具备高的转换效率，这就要求材料的热电性能尽可能好。而材料的热电性能通常由无量纲热电优值 决定，式中S为Seebeck系数，?为电导率，?为绝对温度，?为热导率。可以看出，式中塞贝克系数S越高, 电导率越大，热导率κ越小,则材料的ZT值也越高，即：热电性能也越好[3]。目前，提高塞贝克系数的主要途径有三条：一是提高费米能级附近的状态密度；二是降低载流子的浓度。除此之外，提高载流子的有效质量也对Seebeck的提高有益。通过提高载流子的浓度和迁移率可以使电导率增大，此外，降低热导率可从以下四个方面入手：形成固溶体合金、寻找复杂的晶体结构、细化晶粒和构造有重元素的半导体材料。塞贝克系数，电导率及热导率，这3个参数是通过载流子的输运相互耦合，不能单独调控某一个参数。
2.2.汽车尾气温差发电装置的热交换器
汽车尾气温差发电装置主要由热电模块、热交换器及冷却系统组成。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在排气管中设有扰流结构的热交换器会让汽车尾气与排气管的热交换更加充分，进一步提高TEG热端温度，提高温差发电效率。目前热交换器的形状主要有：平壁形，圆桶形等。在选择热交换器时，需考虑到热交换器的表面温度场，压力损失及与热电模块的接触紧密度。
2.3汽车尾气温差发电装置的冷却系统
冷热端的温度差是影响温差发电装置发电效率的关键因素。温度差大，相应地，发电效率高。因此，为增大温度差，TEG冷端的冷却非常重要。目前针对TEG的散热方式主要有水冷散热和风冷散热两种。水冷散热采用水冷块与热电模块结合，利用水冷块中的冷却水带走TEG冷端热量；风冷采用散热翅片与热电模块结合，利用汽车行驶过程中的自然风带走TEG冷端热量。从冷却效果看，水冷与风冷两种散热方式在热端温度120 oC以下时，两者的散热效果基本相同。在120 oC以上时，水冷散热效果明显优于风冷散热效果[4]。
水冷冷却系统大致可分为独立式和联合式。独立式系统在汽车发动机原有冷却系统的情况下，额外增加一个冷却系统专为TEG冷端散热使用。虽然独立式系统的散热效果好于联合水冷冷却系统，但会增加整车的重量及装置的体积，难以布置。联合式系统是把TEG的冷却系统并入发动机原有冷却系统，利用现有的冷却系统降低热电模块冷端温度，不需额外增添器件，节约空间但会导致发动机的冷却系统温度适度升高，影响发动机自身散热系统效果。
3.展望
目前，汽车尾气温差发电技术还不能普及应用，仍存在不少待解决完善的问题，主要有以下三个方面：（1）提高温差发电材料的热电转换效率。（2）降低TEG的成本（3）优化排气管的扰流结构。在对排气背压影响较小的前提下，尽可能让汽车尾气与排气管的热交换更加充分，提高TEG热端温度。（4）优化汽车尾气温差发电装置的冷却系统。在减少对发动机自身散热性能的前提下，让冷却系统结构简单、散热效果良好。
虽然当前温差发电成本较大、热电转化效率较低。但在全球环保要求日益严格的时代，汽车尾气温差发电仍是一种节能减排的有效技术，值得深入的研究与探讨。
参考文献：
[1]涂小亮，倪计民，石秀勇.汽车发动机尾气余热温差发电装置结构研究[J].小型内燃机与车辆技术，2014,43（4）:34-39.
[2] Elsheikh M H, Shnawah DA, Sabri MFM, et al. A review on thermoelectric renewable energy: Principle parameters that affect their performance[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 30:337-355.
[3] Koumoto K，Funahashi R，Guilmeau E，et al．Thermoelectric ceramics or energy harvesting[J].Journal of the American Ceramic Society，2012，96( 1) : 1-23．
[4]邢号彬.汽车尾气温差发电冷端温度控制与与发动机冷却系统兼容性研究[D].武汉：武汉理工大学，2013.
作者介绍：
1.梁翔：西华大学2103级能源与动力工程（汽车发动机）专业，研究方向：散热系统、半导体制冷、半导体温差发电、强化传热。联系电话：18181529159 邮箱：lxsghxx@163.com
2.陈俊：硕士，研究方向：材料物理与化学，GeTe合金热电性能的研究
基金项目：
1.国家级大学生创新创业训练计划项目（201510623025）
2.西华大学“西华杯”登峰计划项目(2016067)
论文作者:梁翔 肖淑莹 陈俊 王玉 龙俊如
论文发表刊物:《科技中国》2016年7期
论文发表时间:2016/10/19
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