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 ：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
2、于提高效率的换热器（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 2 1 引言 任何汽车 ETEG 系统 通常由 四部分组成：一个热箱
3、， 热电模块，冷板，和 一些装配部件。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 (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
4、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
5、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（ 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 +Qlo
6、sses （ 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： （ 4） P0 是从 ETEG 输出 电量 。 热电转换 的热效 率可表示为： （ 5） （ 6） 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
7、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 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
8、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
9、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） 5 6 图 3 （ 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
10、，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。 4 1 1 千瓦 的 ETEG 1992 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.
11、,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 厚， 重量 82 克。热 端 和冷端设计温度 分别为 230 和 30 (Hi-Z Inc., 1996)。 7 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
12、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
13、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
14、 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 ETEG 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 250 8 4.2 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 44018
15、070 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 。 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
16、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 。 9 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 21.5W/m.K 热导率 204 W/m.K 工作液
17、 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 39.5 ETEG 从热端转移到冷端的热量 (Q0+QLosses) 4KW 测试发动机 3.0 L汽油发动机 最大功率（ P0） 35.6W 发动机工作在 ETEG 的 最大功率条件 60 公里 /小时 希尔克利姆模式 在 最大功率测试 条件下 ETEG 整体效率 （ ov） 0.1% 热电模块转换效率（ m） 12% 在 ETEG 最大功率世热电模块表面的最大温差 123 在报告中 Ikoma et al.指出 ， 如果 HX和 m能够分别 从 510提高到 50，从 12 提高 至 5， 那么 相同的 ET
18、EG 在 相同的测试条件 下 可以 生产出 950 W的电能 。他们强调， 加强 ETEG 效率的关键因素是换热器的热效率。 10 4.3 300 瓦 ETEG 2004 年 公布了 300瓦 ETEG 实验结果 。 该项目加入 了 克拉克森大学 和 Delphi系统，由 NYSERDA 和美国能源部资助， 用 以发展一个 300 瓦 的 ETEG， 将 安装在通用汽车塞拉利昂卡车 上 。 为了能达到预计目标， 一共 用了 16 片 HZ-20 热电模块 ， 碳钢热箱每一个侧面安装 8 个模块 。 所有模块 用导线 串联 /并联 连接 。 如果 HZ-20 热电模块的两面温差达到 200 ，则
19、至少可以产生 19 W 的电能。该 模块尺寸分别为 75 75 5 毫米，重量为 115 克。 在 热箱和两个铝 质 水套之间该 热电模块预计承受 200帕的压力。这种 ETEG整体尺寸为 330 273的 216毫米 总 重 量 39.1 公斤 (Tacher et al., 2007)。 参 见图 7(Tacher et al., 2006)。 如图 7 测试前的 300 瓦 ETEG PCU（ 功率调节器 ） 用来使电压与 车辆电气系统 12V 和 24V 电压相匹配。 这次 ETEG 测试 使用的是 通用汽车塞拉利昂 270 马力的 V8 汽油发动机卡车 。冷却换热器是用来降低进口 冷却水的 温度。 ETEG 的无效端严格的绝热 。 在不同速度下进行了公路测， 车辆时速 分别是 48.28 公里 /小时、 80.47 公里 /小时 和 112.65公里 /小时 。功率 和 ETEG 的效率达到最大时 车辆时速 为 112.65 公里 /小时 ，试验结果如下表：
