基于温差发电的混合动力自行车的研究

材料制作而成，冷端冷却水套为铝质材料，保证了其发电过程的安全性和稳定性。研究人员为测试此系统的发电性能专门设计了一个汽油车爬坡实验，当汽车的行驶速度达到60km/h时，热电系统的峰值功率达到了35.6W。通用汽车公司和俄亥俄州立大学在温差发电领域开展了广泛合作，共同出资进行实验研究，利用汽车尾气余热和空气间的温度差研制出了一个温差发电装置，该装置可以利用温度差进行发电，这一装置明显提升了汽车的燃油利用效率，节油效果显著。2001年康明斯公司在250kW（335HP）柴油机上进行了温差装置实验，在一个传统的温差发电装置上增加了72块HZ一14模块，并使系统温差保持在250℃到270℃之间，从而产生了30V/lkW的直流电。

2 混动系统山地自行车的改装

近年来国家大力推广骑自行车，甚至不少公交站设置了公共自行车，但由于自行车代步费力，特别是骑行山地自行车经常穿越于野外，在上坡时更是需要人力手推爬上坡才能继续骑行。市面上现行的的电动自行车不仅重量大且续航里程短，而混合动力山地自行车融合了人力、单缸发动机助力的自行车被行家看好，但是由于发动机热量利用率只能达到40%，为了提高能源利用率故采取温差发电的方式以此减少能量损失。目前国外对于温差发电的研究比较成熟而我国这方面的研究还只是处于小功率试验阶段。故文章从山地自行车的改装和温差发电相结合来进行研究的阐述。

2.1 发动机的选配 目前市面上在售的发动机按做功行程分为二冲程发动机和四冲程发动机而二冲程发动机主要由气缸盖、气缸、活塞、活塞环等零件组成，四冲程发动机主要由两大机构五大系统组成。相比较而言，二冲程发动机比四冲程发动机体积小、结构简单、重量轻、制造维修方便，且二冲程发动机曲轴转一圈做功一次。四冲程发动机曲轴转两圈做一次功，由此二冲程发动机比四冲程发动机扭矩输出的更加均匀；而且在曲轴转速和工作容积相同的条件下，二冲程发动机输出的功率要比四冲程发动机高出一倍。而实际上因二冲程发动机有扫气损失，且在换气时减少了有效的工作行程，尽管如此它的实际输出功率还是比四冲程发动机高55%～70%。因此从做工效率方面考虑选用二冲程发动机是最理想的选择。

2.2 自行车的选配 近年来，前减震的应用逐渐成为行业通用标准，前后减震的车辆越来越普及。目前，山地自行车主要包括三类，即硬尾山地车、软尾山地车、多用途山地车。本研究以硬尾山地车为研究对象，设计了一种基于温差发电的混合动力自行车。与其他两种山地自行车相比，硬尾山地自行车的前叉避震器功能更为完善，其车身主要采用高品质的铝合金或碳纤维打造而成，经久耐用，受到了使用者的一致好评。

为提高单缸发动机的能量利用率以及山地自行车的使用性能，采用单缸发动机加装技术于山地自行车，使自行车与二冲程单缸发动机及温差发电的有效结合。山地自行车改装为混合动力山地车，油箱为2.0L加大嵌入式油箱，经济时速可以跑130公里以上，中置发动机具有稳定性好，动力强劲的特点，美观大方，拼接紧凑，动力相互分离、自由切换。可以使用人力脚踏，也可以使用燃油动力；既可锻炼身体，又可提高行驶动力性。并利用温差发电西伯克效应将热能直接转换为电能，作为提供夜间行驶照明和音响的电源并存储于电池中。

2.3 发动机中置图解 车架上下管是采用三角形和梯形，并相对设计，使得更多的材料集中在车架两端。也就是说铝合金能够承受更高的压缩应力和拉伸应力，查询资料得压缩应力和拉伸应力数值相等，自行车的上管主要承受压缩应力，下管主要承受拉伸应力，所以将发动机装置于车架上管和下管中间既美观也符合力学性能。

3 发动机尾气余热利用的系统优化设计

有关实验结果显示，目前半导体温差发电模块的单位发电量大幅度上升，同时其热能消耗率显著下降。但若温差发电模块的温差过小就无法达到预期的发电效果。本小组之所以用单缸发动机尾气余热和风冷做为温差源，是因为混合动力自行车行驶时风速流动快和排气温度高从而温差较大，混合动力自行车怠速时温度可达到300摄氏度左右且在怠速5分钟之内排气管温度最多上升到250摄氏度左右，行驶中温度会稳定在150摄氏度左右，且比较稳定。同时利用风冷无能量输送损耗的问题，只要摩托车行驶在路上就可以获得其理想温差，达到其预期发电效果。半导体温差电偶模块作为一种良好的导热材料，其两面必须接受温度高低差异较大的能量才能顺利发电，且温差还需继续保持下去，若模块两面的温度接近那么发电模块就无法输出电流和电压。

3.1 发电模块的安装与设计 ①热电模块为长方形，而汽车排气管的外形轮廓均为圆形或者椭圆形，这就导致热电模块无法直接安装在排气管上。在此情况下，只有改变排气管理的形状，保证其排气通常才能更好地进行发电。理想的排气管道形状为长方体式。②热点模块的冷端通常采用风冷方式进行降温，以保证其温差的稳定性。同时，设计者还专门将散热片设计为长方体式，使其模块表面能够充分散热，迅速降温。要想实现系统的高效发电，就必须提升模块两端的温度差，增加发电动力。③在进行温差发电模块安装位置选择时，设计者首先要考虑排气管温度场分布的均匀性和温度范围是否合理，如发现问题应及时解决。当确保温度器安装无误后，设计人员就可以进一步了解整个排气管的温度走向，以保证其正常工作。本课题组做了发动机尾气沿排气管走向的温度检测采用电偶式精密的温仪器进行测量，且分两种情况既行驶中和怠速时以时间为横坐标温度为纵坐标以发动机排气支管为起点、排气管末端为终点，等间距5cm测得不同发动机转速下各个测温点的温度分布情况。据图3、图4分析得出结论混合动力自行车在行驶中和怠速时排气管的温度分布近乎相等。

3.2 半导体温差发电模块的测试选用与装配

①选用。一般正规厂商提供的半导体温差模块都有性能指标，经过测试不同厂家的温差发电模块的发电性能，最后选择了其中一个厂家的产品，具体的测试方法是：用一块风冷散热片做冷源（散热），另一面把电熨斗拨到低温挡作热源，用万用表进行测试。注意测试一块要停顿一下，让散热片冷下来再测下一块，否则误差会很大。

②装配。 在排气管四个棱上按发电模块尺寸设计8号铁丝长度，将铁丝焊接在棱上作为发电模块的安装座，并在模块的热面均匀涂抹导热硅胶并用特质钢丝拉锁拉紧锁死，使其无法晃动。

3.3 发电模块的电源管理电路 电源管理电路采用板载超小型PFM控制DC/DC升压控制器芯片，输入0.9V～5V任意直流电压该电路适应输入电压的大范围变动，输出电压可调且稳定精度较高。课题组将10个温差发电模块分为五组，为了保证稳定的输出功率五个发电模块组采取并联方式。而每个组的两个温差发电模块采取串联之后共用一个升压器芯片。五个组并联产生的5V电压在连接一个运算放大器和继电器组成的电路，该电路给5V锂离子电池充电效率较高，电池达到电路启动电压时继电器就会切断充电电路，不会发生过充现象。若将输出电压调在4.2V，可快速地给3.6电池充电。

3.4 模块的发电量计算 热点模块的发电量计算有其特定的公式。一个包含N对热电偶的热电模块的电动势为：V=N？琢pn？茁（TH-TC）=N？琢pn？茁？驻T，式中，？琢pn为热电模块的赛贝克系数，？茁为热电模块导热性能指数，？驻T为热电模块冷热端温差。当尾气废热利用率升高时，？驻T也随之增加。另外两个系数？琢pn、？茁为热电模块自身的性能参数，它们与模块性能有关。当热点模块性能提升时，整个系统的发电效率也随之提高。

3.5 热电模块拓扑结构 需要注意的一点是，单片发电模块的发电量是有限的，必须积极收集尾气废热能量以有效提升其模块的发电量。为解决这一问题，技术人员可以采用串并联热点模块的方式提升其废热收集量，提升系统发电率。根据电路相关理论知识，热电模块不同的串并联接法，对模块组的输出功率有不同的影响。一般的温差发电装置中，热电模块在废热通道表面以矩阵形式布置，下图是本组采用的布置方式。

4 结论

温差发电作为一种新型环保技术，有效地解决了我国电力资源不足问题，它通过热电材料完成了热能向电能的转换过程，该项技术如果得到大范围的推广和应用，人们就可以随时随地建立起一个小型的温差发电系统，从而满足其用电需要。温差发电技术实现了废热的高效利用，变废为宝，一举两得。目前，该技术已在美国和日本的多个行业得到广泛应用，并取得了良好成效。我国可以在此基础上积极借鉴发达国家的成功经验，加强对基于温差发电的混合动力自行车的研究力度，并尝试将研究结果应用于其他绿色新能源技术领域，为发展循环经济、建立资源节约型和环境友好型社会奠定良好基础。

参考文献：

[1]刘贻华.基于温差发电技术的轻度混合动力系统的仿真设计[J].热带农业工程，2014（02）.

[2]董桂田.汽车发动机排气废热的温差发电[J].北京节能，1997，4：7-9.

[3]姜晓丽.半导体温差发电装置的研究[D].大连理工大学，2009，6.

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