产品与技术温差发电技术及其在汽车发动机排气余热利用中的应用张征,曾美琴司广树(华南理工大学,广东广州510640)作汽车排气余热发电的温差发电器的结构等,给出了美、日等国车用温差发电器的实例,还对相关技术的发展趋势作了分析。
汽车工业是我国国民经济的支柱产业之一。随着我国汽车工业的发展,车辆消耗的能源与日俱,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。由于汽车的结构紧凑、发动机排气量小,车用发动机余热的利用相对于大型工业设备余热回收来说难度更大。20世纪70年代以来,一些工业发达国家的学者提出了米用温差发电器(ThermoelectricGenerator,TEG)来解决上述问题。TEG依据热电直接转换原理,具有结构简单、无运动部件、无噪声等特点,在低品位热能利用方面具有独特的效果;把它安装在内燃机的排气管上,能够将内燃机运行余热直接转换为电能。
温差发电的研究包括了热电器件和发电器两个方面,是热电学的一个重要领域。
1热电转换材料和元件1.1热电材料的研究热电转换器件是温差发电器的基本元件,它的功能是将热能直接转换为电能,效率取决于热电极材料的性能和器件的设计制造水平。自从20世纪50年代前苏联科学院的Ioffe院士提出了半导体热电理论以来,用于温差发电的热电材料都是半导体材料,如用于低温(300C以下)热电材料Bi2Te3及其固溶体合金、中温(300°C~1000C)热电材料SiGe、MnTe、SiRe2、CeS等。衡量热电材料优劣的指标为率,入为热导率,Z的量纲为K-)。研究中也常使用ZT值(称为无量纲优值,T为绝对温度)。能够用于温差发电的材料既要有较高的aa值又要有较低的X值,这是一个十分苛刻且矛盾的条件,以至于室温下热电材料ZT的*高值约为1的状况至今未能突破。因而,寻找高优值的热电材料,一直是热电学研究的重要内容,这些研究主要包12:热电新材料的研究,如稀土硫化物、硒化物、富硼固体、方钴矿型化合物的研究。这些研究表明,通过控制*佳载流子浓度或通过固溶掺杂来解决良电导和热绝缘的矛盾是有效的。
热电材料新结构的研究,包括梯度材料、复合材料和量子阱结构的热电材料等。热电材料的梯度结构包括材料载流子浓度的梯度化和层叠热电材料结合面的梯度化。合理的梯度化结构可以使材料适应内部温度梯度的变化,使得*佳的材料能运用在*合理的温度区域,提高总的转换效率。
热电材料制备新工艺的研究,常用的方法有熔体生长法和粉末冶金法,以及微型半导体热电器件采用的气相生长法。制备方法与工艺的完善与否,对材料的性能影响很大。粉末冶金法适用于大规模生产,而且原材料浪费少,获得的材料机械性能好,是一种有前途的适合实用普及的工艺方法。