Abstract: Automobile engine waste heat heating value for about 30% of the input energy, automotive fuel energy accounted for 30%, and was taken away by cooling system in thermal energy loss through the internal combustion engine run friction accounted for 5%, was taken away by automobile exhaust heat accounts for 30%~45% of calorific value of fuel, fuel combustion of residual waste gas temperature at around 700°C to 900°C, if it can be fully recycled engine waste heat energy, will help to improve the power performance and fuel economy of the vehicle, more can save oil resources, reduce greenhouse gas emissions, bring huge economic benefits and social benefits.

Key words: Thermoelectric module; Thermoelectric conversion; Energy recycle; Energy conservation and emissions reduction

【中图分类号】TE08 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）02-0000-00

1 研究背景

1.1 国际研究现状

新型的热电材料余热转化装置，通过发动机的冷却水系统及排气系统充分再利用发动机的余热，将产生的热能集中起来转化为电能直接利用或者储存起来供其他设备使用，达到能源二次利用的目的，同时减少热污染，从而实现节能减排，环境保护^[1]。

美日两国是目前国际上对热电材料与工程研究投入最多的国家^[2]。

美国的研究主要侧重于军事、航天、理论和高科技方面。美国海军是海洋用放射性同位素温差发电器的最大用户，其设计工作深度达10km，功率不小于1W，寿命长达10年，放在深海中给无线电信号转发机系统供电，该系统作为美国导弹定位系统网络的一个组成部分，也可用于光纤电缆。

日本的研究侧重于废热利用，同时相应地着力于耐高温的陶瓷温差发电材料的研究。日本近几年的工作可归结为在“日本固体废物燃烧能源回收研究计划”等政府计划的框架之内，主要研究用于固体废物焚烧炉的温差发电技术。

此外，国际上有很多大学科研机构与工业研究所正从事温差发电材料与工程研究，如日本的Nagoya技术研究所，日本国防科学院材料科学与工程部；德国的杜斯伯格Gerhard-Mercator大学固体物理实验室；英国的威尔士大学；瑞典的皇家工业研究院；乌克兰的热电研究所；俄罗斯的约飞物理技术研究所等。

1.2 国内研究现状

十一五以后，我国科技部也将热电转化研究列入国家重点基础研究发展计划（973）中。温差发电在国内的应用还处于研发和起步阶段，而基础理论研究取得了较大进展，如何制造出高性能的温差发电器件并将其应用于实际，是我们国内亟待突破的点。

发动机平稳运行时，冷却水系统可以保持在较稳定的高温，尾气排放管道同时保持较高温度。这样，冷却水管壁和尾气排放管壁可以作为稳定的热源^[7]。

热电模块在发动机冷却水循环系统和尾气排放管道的实际使用与安装如图2所示。

在尾气排放管外壁增加肋片，有助于尾气与外界的热传递效率的提高，同时增大热源向外散热面积，即增大了热电模块与热源的接触面积，使热电转换更加充分。紧附在管壁外的热阻较低的陶瓷片可以最大限度的传导热量，同时起到绝缘的作用，防止电流经金属管壁流失。这样热量传递到铜片上，铜片热阻较低，包裹在管道周围可以保持热源温度的平均分布，进而形成稳定的热端。热电模块组串联连接，附着在铜片上，从而实现铜片和模块一端的连接，热量传递到热电模块组中，进而由热端和冷端的温差，产生电流。热电模块组的另一端则为冷端，为保持冷端的温度较低和平稳，在模块组的冷端安装一系列的装置从而实现上述目的^[8]。首先，对于循环水系统，由于其散热量大，并且持续时间长，所以要保持冷端的低温，就要在冷端采用多层散热器件，实现散热的快速平稳；对于尾气排放管道，直接采用较为简单的散热器就可以保持冷端的稳定性。在循环水热电模块组和尾气排放模块组的冷端皆附着铜片以增大热量的传导速度。对于循环水系统，在冷端同时需要安装冷端循环水系统，该系统为发动机循环水系统的分支，带走冷端的热量。为防止电流和此冷端循环水管道的接触，在铜片和管道间安装陶瓷片，起到绝缘的作用。在冷端冷却水管道外壁安装散热器，增大热量的散失；在尾气排放管壁铜片外侧直接安装散热器，增大热量的散失。对于尾气排放管道的两端，热量可以沿轴向传递，导致热量未能进入热电模块组，因此，在两端安装绝热材料，保证热量尽可能沿径向传递，使热电转换更加充分。热电模块组通过温差产生电流，导线连接热电模块组，电流通过整流电路，进而电能统一储存到蓄电池中，也可以直接供用电设备的使用。

经计算，一个半导体材料的横截面积大概1~2cm²，一个热电单元总的面积为3cm²左右，这样下来，一百组单元加上绝热板大约600cm²。小型发动机的冷却水系统的总面积系统大概3000cm²，这样5组装置基本可以覆盖整个系统，即能最大效率吸收散出来的热能。

样本组装完成为图3所示。

3 结论

三组实验的η-△T图如图4所示，三组实验的输出功率-△T图如图5所示。由图4与图5中的数据得，127组热点单元可以发出功率为0.5W，采用127对热电单元模型计算的能量转换效率随冷热端温差增大而迅速提高，与采用1对热电单元模型计算的能量转换效率之差从冷热端温差为20℃的0.39%提高到冷热端温差为220℃时的5.16%，能量转换效率比1对热电单元平均高出3.02%。冷端温度恒定在30℃时，温差发电芯片的输出电压、功率以及能量转换效率均随着电偶臂的横截面积的增大而提高，且电偶臂冷热两端的温差越大提高幅度也越大，而温差发电芯片内阻则与电偶臂横截面积成反比关系，当温差为220℃时对应的输出功率最高达28.9W。

参考文献：

[1]J.Yang.Potential Applications of Thermoelectric Waste Heat Recovery in the Automotive Industry[J]. Clemson University,U.S.A:IEEE,155-160.

[2]何元金.温差发电——新型绿色的能源技术[J].工科物理,2000,10(2):36-41.

[3]耿莉萍.中国地热资源的地理分布和勘探[J].地质和勘探,1998,1:50-56.

[4]陈东勇.热电材料的研究现状及应用[J].材料导报,2008.(s1):280-282.

[5]李玉珠,郑卫刚.浅谈一流大学工程训练中心软实力及巧实力建设[J].网友世界,2012(12):56-58.

[6]陈自勇,李晓超,郑卫刚. 汽车尾气余热回收利用装置的能量分析与评估[J].变频器世界,2015(03):47-50.