汽车尾气温差发电的实验研究

ISSN1000 0054 CN11 2223/N 清华大学学报(自然科学版)

J T sing hua Un iv(Sci&Tech),

2010年第50卷第2期

2010,V o l.50,N o.2

30/38

287 289,294汽车尾气温差发电的实验研究

徐立珍, 李 彦, 杨 知, 陈昌和

(清华大学热能工程系,热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084)

收稿日期:2008 10 24

作者简介:徐立珍(1973 ),女(汉),江苏,博士研究生。

通讯作者:李彦,副教授,E mail:dtely@m 6cf6d83e87c24028915fc372

摘 要:为了提高汽车燃油效率以优化能源利用和保护环境,进行了利用汽车尾气废热进行温差发电的实验。搭建测试平台,进行了一系列测试,获得了在不同热端温度(83~ 270)、不同负载(0~520 )下单个半导体温差发电器件的输出功率。设计了一种将该器件用于汽车尾气的温差发电的方案。以东风EQ140 1货车为例的经济性分析结果表明:在假设每天行驶12h、每年行驶330d、且柴油价格为5元/L的条件下,半导体温差发电系统需8.2a来回收成本。关键词:特殊能;温差发电器(T EG);风冷散热;汽车尾气;经济性分析

中图分类号:T K5文献标识码:A 文章编号:1000 0054(2010)02 0287 03

Experimental study of thermoelectric

generation from automobile exhaust

XU Lizh en,LI Yan,YAN G Zh i,CHE N Ch anghe

(K ey Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of the Ministry of Education,Department of Thermal Engineering,Tsinghua University,B eijing100084,China)

Abstract:Experiments w ere carried out to imp rove the autom obile s fuel efficiency by a th ermoelectric g enerator th at recovers w aste heat from the ex hau st to reduce energy use an d,th us,protect th e environm ent.A platform w as built to tes t the p erforman ce of m ultiple th ermoelectric generators.A series of tests gave the output pow er data of th e th ermoelectric generators for various hot s ide temperatures(83-270)and load conditions(0-520 ).Th e experimental data was us ed to des ign a system using th ermoelectric g enerators for waste heat recovery.Th e economic analysis u sing Dongfeng EQ140 1truck show s that for the truck run ning12h/d and330d/a with the diesel oil price of RM B5/L,the th ermalelectric g eneration system from automobile ex hau st needs8.2a to recover th e costs.

Key words:specical en ergy;therm oelectric gen erator(T EG);air cooled heatsin k;automobile exhaus t;economic an alys is

随着中国汽车数量的增加,车辆消耗的能源与日俱增,车辆的节能也越来越受关注。然而,以现有的内燃机指标评估,燃油中60%左右的能量没有得到有效利用,绝大部分以余热的形式排放到大气中,造成了巨大的经济损失和严重的环境污染。因此,利用发动机余热发电是一个很好的节能途径。20世纪70年代以来,一些工业发达国家的学者提出了采用温差发电器(thermoelectric generator,TEG)来解决上述问题[1-4]。

国外对汽车尾气半导体温差发电进行研究的单位主要有:美国H i Z技术公司[5]、日本Nissan汽车公司研究中心[6]和俄罗斯联邦科学中心物理与能源工程研究所(SSCRF IPPE)[7]。

国内对汽车尾气半导体温差发电的研究相对偏少,实际应用还处于空白状态。董桂田对国产解放141汽车排气余热的温差发电进行了研究[8]。郑文波等搭建了单个温差发电模块性能测试平台,获得了不同温度下温差发电器功率、效率对电流影响的曲线[9]。

从文[1-9]中可以看出:1)冷端的散热方式都采用水冷;2)优化导热是提高输出功率的有效办法。在经济性分析中温差发电系统成本相差较大,这与各国对汽车尾气半导体温差发电的方案中温差发电材料的结构以及本国的生产成本有关。

本文主要对国产的半导体温差发电器件进行性能方面的试验测试,根据测试的结果设计了一种半导体温差发电器件用于汽车尾气温差发电的方案,并对此方案进行了经济性分析。

1 实验系统

1.1 水冷与风冷的比较

冷热端温差是影响半导体温差发电器件性能的最大因素。为获取更大的温差,文[1-9]中冷端散热方式都采用水冷,这可以使得温差发电片冷端温

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度( c)更低,以便获得更高的输出功率,但是水冷需要循环水泵提供动力,长时间运作导致水温上升,安装运行不够方便。本文先比较相同热端温度下、不同散热方式下冷端温度的差别,根据实验结果综合考虑选择何种散热方式。实验数据见表1。

表1表明水冷与风冷方式下冷端温度相比,水冷的效果更好。但风冷与水冷的差距并不大,在热端温度为260时,两种方式下冷端温差为13.8。半导体温差发电器件用于汽车尾气发电时,风冷方式要比水冷更易于安装,因为汽车在行驶中会有自然风,不需要使用风扇。故在本文中采用风冷方式进行实验测试。

表1 水冷和风冷下温差发电片冷端温度比较

h/ cw/ cf/( cf- cw)/

26061.675.213.8

25053.368.915.6

22048.763.014.3

19039.856.316.5

16035.549.714.2

13033.642.69.0

10029.036.97.9

7026.430.2 3.8

注:下标w为水冷,f为风冷,h为热端,c为冷端。

1.2 实验系统

半导体温差发电实验系统如图1所示,该系统由半导体温差发电器件、铝储热块、翅片散热器、风扇、板式加热器、滑动变阻器、分流器和计算机数据采集系统等组成。半导体温差发电器件的型号是TEP1 1264 1.5,最高承受温度270。实验系统的测量参数包括:半导体温差发电器件热端和冷端的温度,温差发电产生的电压和电流。利用Fluke 2635测量滑动变阻器两端的电压、流过分流器的电流以及热电偶测量的温度,由计算机在线获取Fluke 2635

采集的测量参数。

图1 半导体温差发电实验简图

2 实验数据处理与分析

实验在2种工况下进行:一是改变热端加热的

温度,获得不同温差下半导体温差发电器件的发电

性能;二是在相同的热端加热温度下改变滑动变阻

器的位置,即改变外部负载,得到半导体温差发电器

件的输出功率与电流的实验数据,以此获得半导体

温差发电器件的最大输出功率。实验的负载为滑动

变阻器,可变电阻范围为0~520 。

改变热端的温度( h),测量在不同温度及不同

负载下,半导体温差发电器件的输出功率随输出电

流的变化,实验测得的数据见图2。根据实验数据

点拟合曲线得到功率的极大值,即为对应温差( h-

c)下的最大功率,再根据最大功率对应的电流可计

算获得最大功率时的输出电压,计算结果见表2

。

图2 不同温差下半导体温差器件的性能曲线

表2 单个温差发电器件在不同温度下的参数

h/ c/I max/A U max/V( h- c)/P ma x/W I P

m ax /A U P

max

/V

83.434.30.66 1.6649.20.290.340.86 153.349.5 1.30 3.86103.8 1.290.67 1.93 183.655.3 1.55 4.64128.4 1.740.77 2.27 227.763.0 1.77 5.52164.7 2.390.88 2.71 270.670.1 1.91 6.23200.5 2.930.95 3.07

根据表2的结果得到最大输出功率(P max)与不同温差( h c)、不同热端温度( h)的关系曲线,如图3所示。冷热端温差越大,热端温度越高,最大输出功率越大。

3 经济性分析

以东风EQ140 1货车为例进行经济性分析,此

徐立珍,等: 汽车尾气温差发电的实验研究289

图3 最大功率与热端温度及温差的关系曲线

车的车体外形是6.91m!2.47m!2.45m,最小离地间距是265mm,轴距是3.59m,排气管的直径是65m m。东风货车的发动机额定功率92kW,发电机固定功率为350W,油耗为26.5L/(100 km)[10]。柴油发电机的耗油量为210~240g/ (kWh)。柴油的密度为0.86g/m L。

内燃机排气的温度在600~800,在催化器出口尾气的温度在400以上,到消声器时尾气温度已经降得很低了。半导体温差发电器件适合安装在催化器出口到消声器之间,这部分管长为2.0m。实验中所用半导体温差发电器件可以承受的最高温度为270,无法全管长布置。假定催化器出口管壁温度为400,消声器出口管壁温度为100,管壁温度线性降低,则管壁温度与距离的关系为

/=400-150x/m.

现有半导体温差发电器件可利用的管道长度为1.133m。按照1.0m来布置。尾气管的上方是车底盘,无法布置半导体温差发电片,因此只布置左右下3个面,每个温差发电器件之间相隔10mm,每个半导体温差发电器件的表面尺寸为40mm!40 m m。每排可布置半导体温差发电器件20个。一共可以布置3排,则整个设备的成本见表3。

表3 汽车尾气温差发电系统成本

名称单价/元N总价/元

温差发电器件50603000

散热器1560900

铝储热块3003900

其他100

合计4900

根据图3中半导体温差发电器件最大发电功率与热端温度的关系曲线,由现有半导体温差发电器件的尺寸数据及布置方式得到计算结果如表4所示,单面合计最大输出功率为35.57W。

表4 单个半导体温差发电片的最大输出功率

h/P ma x/W h/P max/W h/P max/W 270.0 2.91210.5 2.08151.0 1.24 261.5 2.79202.0 1.96142.5 1.12 253.0 2.67193.5 1.81134.0 1.01 244.5 2.55185.0 1.72125.50.89 236.0 2.43176.5 1.60117.00.77 227.5 2.31168.0 1.48108.50.65 219.0 2.20159.5 1.36

整个系统的最大输出功率为35.57W!3= 106.71W。整个系统的节油量为

240!106.71!10-3

0.86!10-3

L/h=0.03L/h.

假定货车每天行驶12h,一年行驶330d,柴油价格为5元/L,回收设备成本的时间为

4900

5!0.03!12!330

a=8.2a.

东风EQ140 1货车在此使用条件下,半导体温差发电系统需要8.2a才能收回成本。这说明用现有的国产半导体温差发电器件来设计汽车尾气发电系统有一定的可行性,但回收时间偏长。要想提高整个系统的经济性就必须提高单个温差发电器件的输出功率。有2种途径可以提高输出功率:一是在同样热端温度下提高半导体温差发电片的热电转换效率;二是提高半导体温差发电器件的适用温度。

计算单个温差发电器件的成本回收,单个温差发电器件的成本为4900元/60=82元。单个半导体温差发电器件的最大输出功率为P,则其收回成本的时间t s为

t s=单个温差发电器件成本

柴油单价!单个温差发电器件年节油量

.

代入数据得:

t s

a

=14.8

P/W

.

从上式中可看出,如果单个半导体温差发电器件的最大输出功率提高到5W以上,就能使回收期提高到3a以内。而随着油价的上升,成本回收期可以进一步缩短。

(下转第294页)

294

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参考文献 (References)

[1]M cNell A,Haberi J.Current w orldw ide side im pact

activities:Diverg ence versus harmonization and the possib le effect on fu tu re car design[C]//Proc19th Int T echnical Con f on the En han ced Safety of Vehicles(ES V).Washin gton DC, 2005:Paper number05 0077.

[2]董光.某车型侧面碰撞安全性结构改进设计[D].北京:清

华大学,2007.

[3]LS DYNA Version970.Keyw ord U ser s M an ual[M].

Livermore,California,USA:Livermore Softw are T echnology Corporation,April2003.

[4]PAM CRASH SAFE 2007.Solver Reference M anu al[M].

Paris,Fran ce:ESI Grou p,2007.

[5]李山,高卫民,沈建东,等.DYNA M ADYM O耦合计算方

法在车辆侧面碰撞模拟分析中的应用[J].上海汽车,2006, 8:52-55.

LI S han,GAO W eimin,S HE N Jiandong,et al.T he application of DYNA M ADYM O coupling meth od in vehicle s ide impact simulation[J].Sh an ghai A utomobile,2006,8: 52-55.(in Chinese)[6]马春生,李可瑞,张华坤,等.从LS DYNA到PAM CRASH

的模型转换及侧面碰撞仿真[J].汽车工程,2008,30(11): 947-950.

M A C huns heng,LI Kerui,ZH ANG Huaku n,et al.T he finite elem ent m odel conversion fr om LS DYNA to PAM C RASH an d s imulation of vehicle s ide impact[J].

Automotiv e Eng ineering,2008,30(11):947-950.

(in Chinese)

[7]张君媛,张敏,丁如芳,等.汽车侧面碰撞乘员约束系统的

多目标优化[J].汽车技术,2006,11:1-3.

ZH ANG J unyuan,ZHANG M in,DING Rufang,et al.

M ulti objective optimization of pass enger restraint system for veh icle s ide impact[J].Au tomotiv e T echnolog y,2006,11: 1- 3.(in Chin ese)

[8]Nelson D,S park e L.Im proved S ide Im pact Pr otection:

Design Optimization for M inimum H arm[R].SAE,Paper numb er2002 01 0167.

(上接第289页)

4 结 论

1)风冷散热与水冷散热情况下冷端温度相差不大,在汽车上使用半导体温差发电可以考虑用风冷散热方式。2)实验中采用的半导体温差发电器件在风冷散热方式下热端温度为270时最大功率输出为2.93W。3)以东风EQ140 1货车为例的汽车尾气温差发电实验采用的半导体温差发电器件回收期为8.2a,回收期偏长。如果要缩短回收期,则需要提高半导体温差发电器件的热电转换效率和其可承受的最高温度。

参考文献 (References)

[1]张征,曾美琴,司广树.温差发电技术及其在汽车发动机排

气余热利用中的应用[J].能源技术,2004,25(3):120

-123.

ZH ANG Zhen g,ZE NG M eiqin,SI Guan gshu.

T hermoelectric generation techn ology and its application in

exhaust waste heat utiliz ing for automobiles engine[J].

Ener gy T ech nology,2004,25(3):120-123.(in Chin ese) [2]S nyder G J,Toberer E 6cf6d83e87c24028915fc372plex thermoelectric materials

[J].Nature M ater ials,2008(7):105-114.

[3]W oo B C,Lee H W.Relation betw een electric p ow er and

temperature difference for th erm oelectric generator[J].

Inter national J ou rnal of M od ern P hy sics B,2003,17(8/9):

1421-1426.[4]Row e D W.T herm oelectrics,an environmentally frien dly

source of electrical power[J].Renew able Ener gy,1999, 16(1-4):1251-1256.

[5]Kush ch A S,Bass J C,Ghamaty S,et al.Thermoelectric

development at Hi Z techn ology[C]//20th International Conference on T hermoelectrics.Beijin g:IEE E Pres s,2001: 422-430.

[6]Ikoma K,M unekiyo M,Furu ya K,et al.Thermoelectric

module and generator for gasoline engine vehicles

[C]//T herm oelectrics,Proceedin gs ICT98.Nagoya:IEE E

Pres s,1998:464-467.

[7]M eleta Y A,Yarygin V I,Klepik ov V V,et al.T ruck

co generation system b as ed on combustion h eated thermoelectric con version[C]//Proceedings of the32nd Inters ociety En ergy Conver sion Engineering Conference.

H on olulu,US A:IEEE Pres s,1997:1092-1096.

[8]董贵田.汽车发动机排气废热的温差发电[J].北京节能,

1997(4):7-9.

DONG Guitian.Thermoelectric g enerator used in automobile en gine vent pipe w as te heat[J].Ene rg y Conser v ation an d

E nv ir onmental P rotection,1997(4):7-9.(in Chinese)

[9]郑文波,王禹,吴知非,等.温差发电器热电性能测试平台

的搭建[J].实验技术和管理,2006,23(11):62-65.

ZH ENG Wenbo,W ANG Yu,WU Zhifei,et al.T esting platform for the thermoelectric p roperties of thermoelectric gen erators[J].Exp erimental T echnolog y an d M ana geme nt, 2006,23(11):62-65.(in Chin ese)

[10]第二汽车制造厂.东风EQ140型载重汽车易损零件图册

[M].北京:人民交通出版社,1985.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/d16l.html