涂小亮 倪计民 石秀勇

（同济大学）

汽车发动机排气余热温差发电技术的研究

涂小亮 倪计民 石秀勇

（同济大学）

设计了一款可应用于汽车排气系统的温差发电热交换装置，其以汽车高温排气为热源、冷却循环水为冷源，在温差发电基本原理即塞贝克效应作用下输出电功率。分析了该发电装置结构设计参数对热电性能的影响，利用试验验证了进气温度与流量对其输出性能的影响，利用仿真模拟软件分析了汽车排气流过热电装置时的温度场和速度压力场，提出了提高发电装置输出性能及效率的优化方案。

1 温差发电原理

研究表明，目前汽车发动机的热效率不到30%，大部分能量损失于汽车发动机的冷却水和高温尾气中[1]。若将发动机尾气废热进行再利用，可以进一步提高汽车的能源利用率。

温差发电是基于温差发电材料的塞贝克效应，实现热能到电能的直接转化。如图1所示，将P型和N型2种不同类型的半导体热电材料（P型是富空穴材料，N型是富电子材料）一端相连形成一个PN结，置于高温热源状态，另一端形成低温冷端；在热激发作用下，P（N）型材料高温端空穴（电子）浓度高于冷端，在这种浓度梯度驱动下，空穴和电子开始向冷端扩散，从而形成电动势，热电材料通过热、冷端间的温差完成了将高温端输入的热能直接转化成电能的过程[2]。

热电模块结构如图2所示，通常在一个温差热电模块中由几十至几百个PN结串联而成[1]。热电模块的性能主要包括热电转换效率及其能承受的温度范围，不同厂家生产的热电模块转换性能和耐高温能力不尽相同，热电模块的生产厂家主要有Hi-Z、Furu⁃kawa、Komatsu等[3]。例如Komatsu公司的Bi2Te3热电模块，在热端280℃、冷端30℃时，具有7.2%的热电转换效率，该温差下单体模块最大功率可达24W，能量密度为1 W/cm2[4]。目前适用于各温度范围的常见热电材料如表1所示。

表1 不同温度范围可选择的热电材料

2 温差发电装置结构

温差发电（TEG）装置的作用是在其表面安装热电模块和传递热量，其结构取决于热源和冷源的种类、热电模块的性能和冷端表面的散热方式，目前通常有圆桶式、平板式TEG装置等[5]。本文结合汽车排气系统结构特点以及系统冷却散热方式，设计一种截面为正八边形圆桶式TEG装置，装置结构示意如图3所示。

热端热交换器为圆桶式正八边形截面，高温排气在通过管道内部时在翅片扰流增强换热作用下将热量传递给管道内表面，再由内表面热传递给管道外表面即热端表面，与此同时，冷却管道外表面在内部冷却水降温作用下作为热电模块的冷端，而依次平行布置在管道外表面的热电模块在冷、热端的温差作用下产生电压对外负载输出电能。

3 试验设计

高温流体流过TEG装置时将热量通过肋片传递给热电模块热端，在固定装置结构下，热端温度的大小取决于流过高温气体的温度与流量，因此进口气体的温度和流量是影响TEG装置输出性能的重要因素。为验证TEG装置的进气温度和流量对输出性能、热端温度等的影响，对TEG装置进行台架试验，以进气流量和温度为变量，测试系统的输出性能，试验设计原理如图4所示。

燃烧器（Burner）可产生可变温度和可变流量气体。为分析温度和流量对结果的影响，采用控制变量法，在温度或流量一定时分别调节排气流量或温度。依据汽车排气温度和流量大致范围，试验选取6组工况：进气温度分别为400℃、500℃、600℃时，流量调节为125 kg/h、150 kg/h、175 kg/h、200 kg/h、225 kg/h、250 kg/h、275 kg/h、300 kg/h、325 kg/h、350 kg/h、375 kg/h，以及流量在175 kg/h、225 kg/h、275 kg/h时，温度调节为250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃。试验冷却水流速恒定为130 g/s，进口水温维持在21.1℃左右。根据对称性原理，选取8列中1列热电模块组作为输出试验电源，以接近试验电源内阻阻值的5 Ω电阻作为负载电阻，因此试验测得的电功率可看作一列热电模块组输出的最大输出功率。在作为试验电源的热电模块列冷热两端分别布置6个热电偶，用以监测试验时热电模块冷热端温度，同时测量每一工况下冷却水的出口温度。

4 试验结果

依据上述试验设计，以热电模块组输出电功率P表征TEG装置的输出性能。由塞贝克效应可知，热电模块冷热两端温差大小是影响产生电压的主要因素，因此监测各工况下冷热端温差及热端温度随进气温度、流量的变化非常必要，其次测量冷却水进出口温度，确定并减少冷却水热负荷也是试验另一主要目的。

如图5所示，热电模块组的输出功率随进气温度、流量升高而增大，在进气流量Qm325 kg/h、温度Tin700℃时，输出功率最大达到20.3 W。相对于进气流量，输出功率对进气温度更加敏感。与输出功率相对应，试验热电模块组的输出电压随进气温度与流量变化情况大致相同（图6）。由上述分析可知，进气温度高低是影响TEG系统输出性能的主要因素。

热端表面平均温度由布置在热端表面的6个监测热电偶的温度平均值计算所得，从图7中可以看出，表面平均温度随入口处进气温度的升高而升高，在进气温度600℃、流量值325 kg/h时，热端表面平均温度最大达到220℃。由试验结果可知，随着进气流量增大，流量在325 kg/h时表面平均温度低于流量275 kg/h时表面温度，这是因为进气流量增大到一定值时，虽然通道内部的废气平均流速增加，但在通道肋片附近气体会发生堵塞，流速降低，恶化气体与肋片的换热，从而使TEG装置热端表面温度下降。

热电模块热端表面平均温度减去冷端表面平均温度为冷热端温差，温差大小随进气温度和流量的变化如图8所示。

从图8可知，热电模块冷热端温差变化与热端表面平均温度随进气温度、流量变化情况大致相同。为维持模块两端较大的温差，模块的冷端应保持较低温度，同时降低冷却水的热负荷，减少冷却水散热所消耗的功率，所以冷却水带走的热负荷量是表征TEG系统冷端性能的重要指标。冷却水热负荷量随进气温度和流量变化如图9所示。

由图9可以看出，冷却水的热负荷随TEG装置进气温度、流量的变化情况与热端温度等随进气温度、流量变化情况大致相同。综合分析可知，为提高冷热端温差，一方面要增强高温排气对热端表面的换热，提高热端表面温度；另一方面要减少热端对冷端的传热和冷却水的热负荷，降低冷端表面温度。

5 仿真模拟

为模拟TEG装置内流体速度场以及TEG装置流体和热端温度分布情况，使用三维CFD仿真软件对TEG装置进行传热计算，分析流场及温度场的分布，提出TEG装置的结构改进方案。

因TEG装置的结构尺寸较大，为简化仿真计算，对称选取TEG装置的1/8部分计算，模型网格划分如图10所示。

模型分为流体域和固体域两部分，设置以中心线为旋转轴，45°为一个旋转周期，旋转360°的周期性网格，这样就完成了整个TEG热端模型的网格划分，网格数目在173万左右。利用ANSYS Fluent进行TEG装置流固耦合传热计算，以流量边界和压力边界分别设置模型的进出口以及热端表面和流道表面的热边界条件，计算结果如图11和图12所示。

由图11可以看出，在模型上表面即TEG装置的热端表面，温度由内向外逐渐降低，表面温度最高点在表面大约2/3处；流体域入口初段存在一个低温区，导致热端前表面温度较低，此区域是需要改进的流体域。

如图12所示，在模型的速度场中，在流体域前半部分存在一个低速区域，由传热学分析可知，低速区域是导致相应区域低温的原因，也是需要改进的区域；另外，在流体域和固体域交界前半部分有明显回流，回流会导致温度降低，弱化此部分换热；因为流速提高能增强流体与固体间换热，所以提高流体域肋片部分流体的总体速度也是改进TEG装置需要考虑的因素。

Research on Thermoelectric Power Generation Technology Utilizing Automobile Engine Exhaust Heat

Tu Xiaoliang Ni Jimin Shi Xiuyong
（Tongji University）

In this research,a thermoelectric power generation device which uses exhaust gas of vehicle engine as hot source and circulated cooling water as cold source is designed,this device outputs electric power under the thermoelectric effect power generation theory,i.e.the Seebeck Effect.The effect of design parameters of this device structure on thermoelectric performance is analyzed,and the influence of temperature and flow rate of intake gas on the output performance of TEG device is verified through experiments.The paper also uses simulation software to analyze temperature field and velocity pressure field when automobile exhaust gas flows through this device and proposes ways to improve the output performance and efficiency of TEG device.

Exhaust system,Thermoelectricity power generation,Intake air temperature, Intake air flow,Output performance

排气系统 温差发电 进气温度 进气流量 输出性能

U464.134

A

1000-3703（2015）04-0022-04