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user: 4. 结果和讨论 4.1. 数据和分析 热电模块包括现有市售模块 [ 10 ] 和自制模块 [ 16 ] [ 25 ]。如图5(a)和图5(b)所示，热电模块的基本电气特性特征如下：图5(a)为电流(I)与电压(V)曲线，即I-V曲线；图5(b)为最大输出功率(P)与电压(V)曲线，即P-V曲线。这些数据绘制了一个热电模块在三种不同温差情况下的典型图像。图5(a)显示了I-V曲线，显示了低内阻电源的典型电气图像；图5(b)显示P-V关系。这些曲线显示了电源输出功率的典型图像；输出功率随温差的升高而增加。图5(c)中发现了热电模块输出功率与施加的夹紧力的关系。在力小的区域，功率随着力显著增加。这条曲线显示出了总变化的20%，这种图像在不同的温差设置中经常可以观察到。功率曲线通常取决于它表面所受的压力，如图所示，选择4800到12，000 (kg/m 2 )的压力，曲线较为平整，输出功率较为稳定。本研究选择设定外力压力值为6000 (kg/m 2 )。功率随压力的变化可能是由于接触孔、接触电阻以及热电模块和界面之间的空隙缺陷造成的。通过设置合适的夹紧力，可以优化热电模块的上述缺陷。优化设置可以减少寄生电损耗，可降低接触电阻，减小接触界面的空隙热效应。热电能量转换效率的测量值取决于工作温差，如图5(d)所示。 4.2. 热量采集方法的研究 课题组构建了汽车尾气温差发电设备(ATEH)的三维模型。他们在多个热电模块单元组合的研究基础上，发现不管是串联还是并联，其总输出功率都能理想的叠加，即等于所有单个温差发电 [ 10 ] 单元的输出功率之和。汽车尾气温差发电设备的双管道结构既可以引入热气体流过，也可以引入在温差发电系统中流动的冷却介质。如图4(b)所示，为了满足所需的输出规格，几十个热电模块串并联成所需的电路。图4(a)说明含有夹层的汽车尾气温差发电设备组件。如图4(c)所示，热量从左侧流入，冷却水位于其顶部、中部和底部的三层夹层。 图5. 测试结果图。(a) I-V曲线；(b) P-V曲线；(c) P-F曲线；(d) 热电效率与温差关系曲线 图6. 热电模块温度分布图(3 × 9宫格) 以设计模型为例，给出了一个典型的XY平面温度变化，如图6所示。温度变化符合预期，这是由于接近热电模块边缘的热气体的粘度比中心高，而且模块边缘的气体温度较低。沿y轴方向靠近中心的温度应较高。 构建并测试各种模型。通过实验室对温差发电系统(ATEH)的测试，总输出功率达到1 kW (315℃时1080 W)。实验测得最大输出功率和测试范围内温度关系图7所示： 图7. P-T关系图 除上述实验室试验外，还成功地制造了样机，并将其安装在一辆小型货车皮卡上进行道路测试。当地一家制造商 [ 23 ] 提供了一款皮卡，其发动机型号为萨博V系列，发动机型号为4Q20M。研究人员在这辆车里安装了1个或2个单元，而在这个实验室里安装了4个单元的汽车尾管能量采集器。每一个比较实验，道路测试行驶了1000公里 [ 23 ]。测试显示，使用汽车尾气余热利用装置，汽油行驶里程显著提高。 4.3. 多级联的温差发电 多级联温差发电技术使用先进的制造，把多种块体热电材料在合适温度区进行恰当的层叠；从而获得高性能的优化热电材料。这些优化材料可达到比目前市场上的热电设备更高的热电转换效率。原因是现有热电材料工作温度范围较小，其中效率相对较低。在目前的情况下，热电优值ZT普遍不够高。 利用Matlab TM 软件 [ 25 ] 对P型和N型热电偶的各节段长度分别进行建模分析并优化。将P型或N型热电偶按热流方向等温差分成m + 1段。如果m足够大(例如，大于1000)，则每段热电偶材料性质(塞贝克系数、电阻率和导热系数)可视为常数，并根据温度赋值。以P型热电偶为例(N型热电偶也可以用同样的方法模拟计算)，该热电偶由两部分组成:第1部分从第1段到x段，使用热电材料Pb 0.94 Ag 0.01 La 0.05 ；第二部分，从(x + 1)段到(m + 1)段，使用了热电材料Bi 2 Te 3 。 T p i ， L p i ( i = 1 ， 2 ， 3 ， ⋯ ， m ) 分别为冷侧和热侧温度的第i段长度。假设横截面面积(A)和传热流量(Q 0 )为单位值，然后根据材料性质得到各段P型热电偶的长度( L p i )。每个部分都被视为一个热电电池，因此整个P型热电偶由这些部分串联而成。第i节的输出功率可以由文献 [ 26 ] 所示方式得到。该系统可以改进如下。如图8所示，研究了热电器件的多级联结构，以提高ZT，达到较大的热电效率。横坐标表示高温段长度与总长度(x)之比，高温段的最佳长度比随热侧温度的升高而增大。当x值很小时(热电偶的大部分是由低温材料制成的)，热侧温度越高并不意味着效率越高。这是因为低温材料的热电性能在温度超过其适当的工作范围后迅速下降，总效率被拉低，就像给电池添加一个劣质电池一样。 图8显示了P型和N型热电材料的效率与长度比(x)的关系，其中x为分段热电偶对所处长度比中的节点位置。仿真模拟的依据是上述方程(2)，(4a， 4b)。图8(a)为设置三种温度下P型效率随x的函数关系；图8(b)为N型效率与x的函数关系，P型在550℃时热电效率为11.8%，而在550℃时N型在热侧效率为9.7%。注意，变量x是沿着每个双级联热电段的长度比。对多级联热电器件的结构进行了大量的计算机建模仿真模拟和实验测试。上述模拟依据为公式(2-4a， 4b)。 图8. P型和N型材料效率与长度比关系图。(a) P型材料效率与长度比关系；(b) N型材料效率与长度比关系图 实验测试采用的热电材料性能列于表1。通过对市场上可用热电材料的选择，所选每级热电材料具有相应的温度，并且热电装置可以增加工作温度区间。热电材料的选择如表1所示。按照双级联优化值构建热电器件的测试效率达到10.6%，远高于单个级联BiTe效率。 如表1所示，双级的叠层热电材料是基于Pb-Te材料和Bi-Te材料组成。研究人员对P型和N型的基于Pb-Te为基础的热电材料，在中等温度范围内进行了优化；对基于Bi-Te为基础的热电材料，在低温范围内进行了优化。P型和N型分段热电偶上的基于Pb-Te材料和Bi-Te材料的双级联结构需通过高温硬焊接连接在一起，否则无法焊接在一起。双级联热电系统明显提高了ZT值。表1列出了其覆盖其高温工作区间和各种相关热电材料的优值系数ZT值。 Table 1 The variation law of ZT value of different materials with temperature. (P1-PbTe: Pb0.94Sr0.04Na0.02Te， N1-PbTe: Pb0.94Ag0.01 La0.05Te， P2-BiTe: Bi0.5Sb1.5Te3， N2-BiTe: Bi2Te3 T(K) ZT T(K) ZT P-PbTe N-PbTe 321 0.17 320 0.18 422 0.48 420 0.39 522 1.13 524 0.71 622 1.76 620 1.09 722 1.86 726 1.44 822 2.12 824 1.51 922 2.05 924 1.41 P-BiTe N-BiTe 327 0.88 326 0.83 379 0.95 337 0.94 431 0.91 423 1.11 482 0.72 524 0.92 表1. 不同材料ZT值随温度的变化规律(P1-PbTe: Pb 0.94 Sr 0.04 Na 0.02 Te， N1-PbTe: Pb 0.94 Ag 0.01 La 0.05 Te， P2-BiTe: Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 ， N2-BiTe: Bi 2 Te 3 ) 本文所制造的热电模块是基于BiTe和PbTe的热电材料组成。通过实测数据和基于公式(5)的简单计算，得出仿真模拟的效率值。 通过大量的材料调研及实践，得到优化的系统设计方案。他们发现通过对相关制造方法的研究，可以获得比之前的技术 [ 27 ] 更高的温差区、更高的能量密度、更好的热电输出效率等性能。 多级联温差发电系统在提高系统输出效率方面具有优势。如果单价的成本继续从现有热电模块的价格下降，理论上，当 Z T ≥ 2.0 时温差发电具有较好的性价比并可能实现大规模的商业应用 [ 27 ]。 ZT值与材料的电导率、导热系数、塞贝克系数等性能有关。分段热电偶所采用的热电材料的ZT值列于表1中。基于PbTe的热电材料的高温度工作区间为573 K到873 K，此时P型的热电优值系数范围约为1.5~2.1，N型为0.9~1.4。基于BiTe的热电材料的低温工作区间为室温到573 K，此时P型的热电优值范围约为0.7~0.9，N型为0.8~1.1。提高ZT值来改进热电材料已经引起广泛深入的研究 [ 15 ] [ 20 ] [ 26 ] [ 28 ]。