基本信息
- 项目名称：
- 汽车排气尾管热电转换装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 节能环保问题备受关注，我国正在积极施行能源可持续发展战略。但是在日常生活中，能源浪费现象严重，尤其是不可再生燃料能源。柴油、汽油等汽车燃料的利用率不高，大量热能通过排气尾管废气散发出去。本设计从碱金属热电转换装置将热能转化为热电势的工作特性入手，利用汽车尾气正常行驶的高温，以热电转换电路和铅酸蓄电池储能电路为载体，实现了汽车尾气废热的回收利用，提高了汽车燃料的利用率。
- 详细介绍：
- 汽车在正常运行中汽车尾气排出气缸，温度极高，携带大量热能，热量不断散发，浪费了大部分来自燃料的能量，非常可惜。碱金属热电转换器AMTEC是工质钠通过固体电解质等温膨胀做功的热机原理实现热电转换的，当温度不断升高时，其输出的电能也不断增多，电功率不断增大。温度在600℃至900℃范围内时，单管Na-AMTEC能产生约1.5V的电压和0.5W到1W每平方厘米的功率。 碱金属热电转换器有其独特的优势：和热电偶比较，其转换效率是热电偶的几百倍； 与半导体热电转换器件相比，其耐压性好，可工作温度高，寿命长，抗辐射性好；与HI-Z系列器件相比，热电转换效率高。它安装占用空间小，便于与汽车排气尾管等发热部位装配使用；它的最适温度工作区间与汽车排气尾管的温度相符合，是理想的汽车热电转换器件。 在汽车稳定运行后，虽然尾气温度会稳定在一个相对小的范围内，但不可避免的会上下波动，这样产生的电压也会随温度而波动，输出电能不稳定，易损坏电路器件和用电设备，不宜直接利用，因此要加装稳压电路稳定波形，输出直流稳定的电压。 输出一定数值电压只能适用于小部分耗电或储能设备，需要通过集成运放对电压进行合理放大，进一步输出我们所需要的蓄电电压。经过对集成运放的调节，电压值符合铅酸电池的充电要求后，就能进行电能的储存了。 综上所述：我们从高温排气尾管出发，利用碱金属热电转换装置将高温热能转换为随温度变化波动的电能，这部分电能经过输出固定电压的整流电路后，通入比例可调的放大电路，经放大后得到符合要求的直流电压，最后输出到铅酸蓄电池，实现转换电能的储存。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的： 将汽车排气尾管的热能转化为电能，提高燃料利用率，实现节能、环保，为汽车排气尾管余热利用提供参考思路。 基本思路： 从高温排气尾管出发，利用碱金属热电转换装置将高温废热转换为随温度变化波动的电能，这部分电能经过输出固定电压的整流电路后，通入比例可调的放大电路，经放大后得到符合要求的直流电压，最后输出给铅酸蓄电池，实现转换电能的储存。 创新点： (1)将汽车尾气中的热能转换成可直接利用的电能 (2)利用转换效率高的钠型碱金属热电转换器（Na-AMTEC） (3)热电转换装置体积较小，便于安装，使用寿命达10年以上 (4)成本低（保守估算市场价格约为1100元/台），可投入市场，能产生一定的经济效益。 技术指标： (1)尾气温度：600℃至800℃ (2)碱金属热电转换器Na-AMTEC工作温度：600℃至900℃ (3)本装置的输出电压、电流和功率：12V，3A，36~39W (4)稳压器LM7806典型输入电压：10V(5)铅酸蓄电池12V系列的充电电压：11V至15V，充电功率36W左右。
科学性、先进性
- 从中国知网、维普等知名数据库未检索出国内外有关汽车尾气废热回收的参考方案，相关的使用器件和回收方法都有待研究。 迄今，虽有一些利用尾气直接发电的技术、装置，但其装置庞大复杂，且成本昂贵，如美国密西西比大学利用汽车废气发电的装置、国内利用排气尾管加装发电机的余热利用装置等，显然不适合中小排量汽车的废热回收利用。 与其他技术产品相比，本装置使用了体积小的碱金属热电转换器。它与同体积、同接触面积的HI-Z系列器件或热电偶相比，其转换效率高，一般达30%以上； 与半导体热电转换器件相比耐压性好，可工作温度高，抗辐射性强，寿命可达十年以上。而且它最适工作温度区间600℃至900℃与汽车正常行驶的尾气温度相符。本装置所用的两根集成热电转换器分别由四根Na-AMTEC单管组成，直径仅为57mm，长度10cm，十分便于与汽车尾管等发热部位结合；整流芯片LM7805、集成运放AD707AH等电子器件均为常用器件，成本低廉；整个装置使用简单，转换后储存的电能可便捷的使用。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：本装置使用简单，与热源结合后，只需在温度稳定时，按下电路的控制开关，就能实现电能的储存；充电完毕后，将电压、电流配套的用电设备接入即可使用。 技术特点：⑴利用碱金属热电转换装置有效转化热能用于发电⑵利用稳压电路和集成运放按输出要求提供直流电压⑶使用铅酸蓄电池储存电能，作为后续使用的电源。 适用范围：本装置体积小。电路部分使用器件常见，设计合理，便于集成和大规模生产，降低了企业生产的硬件软件要求。可安装在产生高温热源的地方。增加碱金属热电转换器的数量，可提高输出电压和输出功率。对排热型工厂的废热回收也有显著的效果。 市场分析及经济预测：装置所用的常见器材成本低，而Na-AMTEC的价格相比于汽车燃料浪费的经济损失也很低。按市场价算，成本最高1123元。若每辆汽车都安装我们的装置，保守估算一年可节省1667.1亿元，平均每辆汽车为2316.69元。对该装置设计思路的进一步研究拓展必将成为可供参考的节能减排新思路，产生的经济效益将是十分巨大的。
同类课题研究水平概述
- 从中国知网、维普等知名数据库未检索出国内外有关汽车尾气废热回收的参考方案，相关的使用器件和回收方法都有待研究。 据相关资料显示，在汽车热电转换方面，美国国家科学基金和能源部投资140万美元用于研制一种新型汽车尾气发电机，有普渡大学、密西西比大学等参与研究，目前尚未得出明确结果，且该研究设计复杂庞大，耗费巨大。与此同时，美国HI-Z公司为热电转换研制了一种热电模块，在温差为200℃时，单片模块输出功率可达20W。而日本NISSAN汽车公司研制中心，利用热电偶的热电转换原理，在汽油机的排气管中部，添加了热电转换模块，可以将尾气中11%的热量转换成电能。不过上述装置，现在还在研究阶段，并没有投入生产。 同时，在国内只有华东师范大学与电子科大两所大学正在研制用于废热回收的热电转换发电机。相关的吉林合力部件有限公司生产出一种汽车余热发电系统，它是在后排气管上安装一种能量转换器，能量转换器的电量输出端通过连接器连接汽车电池的输入端。在汽车行驶时，通过后排气管排放高热量的尾气，能量转换器吸收热能并转换电能，其转换效率未知。同类利用汽车尾气余热的发明设计还有：华北水利水电大学的利用汽车尾气热量实现对物品进行保温的保温箱。 目前，热电转换技术主要应用于一些高技术领域，比如通信技术中光纤接口处的精确温控利用了热电致冷技术；微波通信技术中处于极地、沙漠、森林等无人地区的微波中继站的电源多数使用了热电发电技术。此外，诸如垃圾焚烧余热、炼钢厂的废热发电的研究也正在开展，日本、美国和德国已拥有一些相关的应用技术，而大规模的生产正在进一步商榷筹划中。除了在汽车方面的研究，人们也正在扩大热电转换用于其他方面的研究。现在市场上也出现了很多利用热电转换原理生产的产品。便携式热电冰箱、油灯燃料余热放电装置、热电饮水机和热电空调等都已不再陌生并有待进一步的推广使用。 二十一世纪将是一个使用绿色能源为主的高技术时代，热电转换理念正在被更多的科技工作者和研发型企业关注，各地区各领域的相关深入研究正在如火如荼的展开。
