关键词：温差发电；发动机；排气余热
1、热电转换材料和元件
1.1热电材料
热电转换器是温差发电器的基本零部件，其作用是能够将热能直接转化为电能的形式，其转换效率由热电极材料的性能与其器件制造水平共同决定。上个世纪有科学家提出了半导体热电理论，现用于温差发电的热电材料基本都属于半导体材料。判断热电材料的好坏的依据为塞贝克系数的平方和电导率的乘积和热导率的比值。被用于温差发电的材料不仅具备高塞贝克系数和电导率，还应具备较低的热导率，但这是一个难度极大的条件，所以对此种材料的寻找为目前热电学的热门研究方向。（1）热电新材料应用研究。例如稀土化合物、硒化物以及富硼固体等化合物的研究。经过研究表明，控制最佳载流子浓度或者利用固溶掺杂能够有效应对良电导以及热绝缘的问题。（2）热电材料在结构方面新的研究内容包含梯度材料、复合材料以及量子阱结构等。而热电材料剃度结构主要有材料载流子浓度梯度化以及层叠热材料结合面的梯度化。适合的梯度化结构能够让材料适应其内部温度的梯度变化，保证材料能够在温度适宜的范围内最大程度提高其转换效率。（3）热电材料制备的相关工艺，其最常见的制备方法有熔体生长法以及粉末冶金法和气相生长法。同时制备方法和制备工艺的精良程度对材料的性能产生较为直接的影响。粉末冶金方法多用于较大规模的生产，原材料利用效率高，制备的材料性能较好，因此具备广阔的发展前景。
1.2热电转换
热电转换元件模块化一个热电转换期间的转换功率较低，因此应串联或者并联组合制成转换模块，以此实现产品标准化和系列化。
2、温差发电器结构
2.1结构
温差发电器的结构与热源热电、散热形式以及温度的变化有关，还有发电器使用的热电偶性能以及排列。当前温差发电器多以平板式和圆桶式两种。前者的热电转化模块通常会平铺于矩形通道中，其热电偶阵的形式与太阳能电池阵的形式相似，工作时其热流从通道内由壁面向转换模块传递热量。后者的表面铺设带有一定的弧度，多应用于大型的结构中。
2.2冷源和热源
温差发电器的冷源主要来自空气自然对流散热、水冷却散热以及环流散热等。目前热电偶臂长度大约在三毫米到十毫米之间，冷热两端的距离较小。因此，获得温差的途径之一是适宜的冷源。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆车辆使用的温差发电器的热源主要来自发动机排气与冷却水所带走的余热，发动机排气的温度最高可达八百度，冷却水的温度在一百度左右。
2.3分区结构
利用温差发电器还能让各热电模块在最适宜的温度范围内工作。因为排气管道中的热流体温度随着其不断流动随之下降。所以，顺着其流动的方向可以把通道划分为几个温度区域，根据其区域内的温度放置与之对应的热电模块，保证其在适合的温度下工作，进而得到最大的转换效率以及输出的功率。
3、车辆发动机余热的温差发电分析
最近几年，车辆发动机余热温差发电技术发展十分迅猛，我国的有关机构以及科研院所都发布了相关的研究成果。美国技术公司在上世纪末期发布了1.5千瓦温差发电器的研究文章。之后又进行载重车柴油机排气余热温差的研究。其实验温差发电器的输出功率随着温度的变化，实验结论为温差越大输出功率随之提高，温差偶臂的长度越短其温差和输出功率越大。输出功率和发动机负载的变化规律为输出功率主要收到发动机负载的影响，转速的变化对其影响较低。
4、增加发电功率与转换效率的研究
研究证实，温差发电系统中的温度差值越大、热源温度越高以及材料的优值越高，温差发电器的工作效率也就越高。所以，往往有效提高温差发电器的性能就应从研发优值高的热电材料以及高工作效率的转化器着手。近几十年来，有关热电材料的研究进展较慢，所以，目前应当以现有条件为基础致力于高效温差发电器的研究。其主要有一下方面的研究：
4.1优化设计
热电偶的优值受到电极材料及其长度和横截面积的直接影响。电阻率以及导热率的不同造成其电极尺寸的差异，最优尺寸的热电偶才能饿到最适合的优值。不仅如此，在设计的过程当中还要考虑全面，例如温差发电器的负载与结构，可以考虑利用CAD等软件进行优化设计。
4.2可靠性
半导体热电器件最显著的优点是其可靠性高，不过受到设计、制造以及应用环境等诸多因素的影响，每个器件的稳定性和使用时间有所不同。经过对其机理分析后可知，造成半导体热电器件失效最重要的原来是热电偶接头部位出现了物质迁移，即焊料或者导流片的原子以固体扩散的形式融入于电极材料中，变成了掺杂原子，由于额外材料的掺入使其材料的特性被改变，并且以目前的技术无法从根本解决此类问题。
4.3传热学研究分析
在设计温差发电器时，应当按照冷源和热源形式的不同，针对性的研究其形状、传热以及散热方式，这已经成为温差发电器设计基础内容。
4.4多场协同转换器
我国已有大学在分析排气管内热流换热的形式和热电偶回路的规律后，提出了一种新型温差发电机的构想。其内部是内置轴向网状热电转换模块以及多机的转换结构，将分离式循环水作为其冷源，并直接与发动机水冷系统连接。这样能够有效增大温差，具有较为显著的优势。
结语：温差发电技术用于车用发电机余热技术具有广阔的发展前景。不过目前受到效率低、成本高以及结构不紧凑的限制，应加大相关方面的研究力度。
参考文献：
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[4]汽车尾气余热利用温差发电装置的实验研究[D].浙江科技学院，2019.
论文作者:陈飞 孙浩
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年21期
论文发表时间:2019/11/29
标签：温差论文; 热电论文; 余热论文; 材料论文; 电器论文; 结构论文; 温度论文; 《工程管理前沿》2019年21期论文;