汽車尾氣余熱溫差發(fā)電研究進(jìn)展

楊紅艷　周東一　彭浩

摘 要：本文從五種溫差發(fā)電基本效應(yīng)理論基礎(chǔ)出發(fā)分析發(fā)電原理，并基于此原理闡述在現(xiàn)如今其在溫差發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用，同時指出為以后對汽車尾氣余熱溫差發(fā)電進(jìn)行系統(tǒng)研究，提供一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電；汽車尾氣；基本效應(yīng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.124

0 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，汽車消耗能量也逐步地增加，因此對于車輛的能源進(jìn)行節(jié)約顯得尤為重要，所以利用發(fā)動機(jī)的余熱發(fā)電成為了大家所公認(rèn)的一個對于節(jié)能的一個行之有效地途徑[1]?，F(xiàn)如今，汽車的作為動力只占消耗能量的40%[2]左右，剩下的60%的能量沒有被充分利用，而在這部分能量中，被發(fā)動機(jī)廢氣排放所帶走的能量卻為30%-45%[3]，這些能量大部分通過熱量散發(fā)出去，造成了嚴(yán)重的空氣污染。另外，汽車發(fā)動機(jī)的排氣壓力大，溫度高，排氣溫度可達(dá)800℃左右。如果將這些余熱用來進(jìn)行溫差發(fā)電，不僅可以節(jié)約能源，還會因?yàn)槔脽崃窟M(jìn)行溫差發(fā)電，提高燃機(jī)熱效率和在一定程度上減低汽車的噪聲震動。所以，通過汽車的余熱發(fā)電這項(xiàng)技術(shù)顯得尤為重要。

1 溫差發(fā)電理論基礎(chǔ)

塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)和傅立葉效應(yīng)稱為溫差發(fā)電的五種基本效應(yīng)，其中塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)、湯姆遜效應(yīng)中電和熱的轉(zhuǎn)化是可逆的，而焦耳效應(yīng)和傅立葉效應(yīng)是不可逆的。這五種效應(yīng)構(gòu)成了溫差發(fā)電研究的理論基礎(chǔ)，下面依次進(jìn)行介紹。

1.1 塞貝克效應(yīng)

塞貝克效應(yīng)，又被人稱為熱電的第一效應(yīng)，作為發(fā)現(xiàn)者的塞貝克認(rèn)為，所謂的塞貝克效應(yīng)就是因?yàn)榻佑|材料的溫度不同，存在了相應(yīng)地溫度差，這就使得接觸材料所形成的回路存在了一定量的電動勢，這種電動勢也被塞貝克叫做溫差電動勢。這種效應(yīng)經(jīng)常被作為溫差發(fā)電理論基礎(chǔ)被學(xué)者廣泛使用。

1.2 珀?duì)柼?yīng)

珀?duì)柼?yīng)，常常又叫做熱電的第二效應(yīng)，法國珀?duì)柼J(rèn)為，假如兩種不同材料的金屬所形成的閉合回路中存在了直流電流的話，它們的接觸處就會相應(yīng)地產(chǎn)生放熱和吸熱地現(xiàn)象。同時珀?duì)柼?jīng)過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，接觸處地?zé)崃吭诤艽蟪潭壬吓c電流的強(qiáng)度成正比。通過比較塞貝克效應(yīng)和珀?duì)柼?yīng)可知，珀?duì)柼?yīng)是塞貝克效應(yīng)的逆過程，塞貝克效應(yīng)應(yīng)用于溫差發(fā)電，珀?duì)柼?yīng)應(yīng)用于溫差制冷。

1.3 湯姆遜效應(yīng)

湯姆遜效應(yīng)，同樣地也常常被人稱為第三效應(yīng)，英國科學(xué)家湯姆遜認(rèn)為，如果接觸的材料存在的一定的溫度梯度的時候，導(dǎo)體會相應(yīng)地放出和吸收熱量，同樣在其冷熱的過度區(qū)間就會產(chǎn)生相應(yīng)地電動勢，這種現(xiàn)象經(jīng)常被研究者稱為湯姆遜效應(yīng)。隨著后人對該效應(yīng)地研究，人們發(fā)現(xiàn)，在一定長度上所吸收和放出的熱量與在該封閉回路上所通過的電流與溫度的乘積成正比。同時為了辨別何時為吸熱，何時為放熱，常將溫度梯度的變化方向和電流走向作為參考，如若一致，則定義為吸熱，反之，則為放熱。

1.4 焦耳效應(yīng)

焦耳效應(yīng)定義為單位時間內(nèi)由穩(wěn)定電流產(chǎn)生的熱量等于導(dǎo)體電阻和電流平方的乘積。

1.5 傅立葉效應(yīng)

傅立葉效應(yīng)定義為單位時間里沿均勻介質(zhì)某一方向傳導(dǎo)的熱量正比于垂直這個方向的面積和該方向上溫度梯度的乘積。

2 溫差發(fā)電的發(fā)展及應(yīng)用

溫差電從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已有100余年的歷史，但是由于金屬之間的溫差發(fā)電效應(yīng)比較微弱難以撲捉，所以對于其在實(shí)際生活中卻很難應(yīng)用。但是隨著研究的不斷深入，對于溫差發(fā)電這一技術(shù)也隨著人們對金屬替代物——半導(dǎo)體和金屬性地氧化物的發(fā)現(xiàn)被廣泛地應(yīng)用。這種廣泛性最大程度表現(xiàn)在軍工行業(yè)以及航天航空行業(yè)。但是在民用方面，其顯著地優(yōu)勢也逐漸被應(yīng)對于緩解能源危機(jī)和空氣污染。

3 現(xiàn)如今存在的主要問題

盡管隨著人們對于溫差發(fā)電的研究不斷取得進(jìn)展，但是如果要實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電的技術(shù)在實(shí)際生活中取得廣而有效地成績，卻還有許多問題急需解決，它主要表現(xiàn)在以下的幾個方面：

（1）發(fā)電的效率不高。根據(jù)現(xiàn)在研究學(xué)者們的研究成果來看，利用溫差發(fā)電技術(shù)所設(shè)置地溫差發(fā)電裝置效率僅僅為5%-7%，這種問題的主要原因就是，對于溫差發(fā)電的裝置還需要很大地優(yōu)化和改進(jìn)。

（2）材料散熱的情況。對于溫差發(fā)電來說，它的基礎(chǔ)原理就是通過溫度差從而造就電動勢，所以這就會出現(xiàn)冷熱兩端散熱不均勻性，使得兩端地溫度差降低的很快，在一定程度減低了發(fā)電量。

（3）可靠性。這種情況也是很多機(jī)械裝置存在的，由于受熱不均和機(jī)械震動造就了應(yīng)力。此外，還有受如高溫、濕氣、油污灰塵等環(huán)境因素的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]張征.溫差發(fā)電技術(shù)及其在汽車發(fā)動機(jī)排氣余熱利用中的應(yīng)用[J].能源技術(shù)，2004，25（03）：120-123.

[2]劉忠寶，王浚.發(fā)動機(jī)排氣取熱換熱器動態(tài)特性分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（05）：559-661.

[3]董桂田.汽車發(fā)動機(jī)排氣廢熱的溫差發(fā)電.北京節(jié)能，1997（04）：7-9.

作者簡介：楊紅艷（1987-）， 女，河南開封人，在讀研究生，研究方向：小型風(fēng)冷柴油機(jī)。