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基本信息

項(xiàng)目名稱：
汽車排氣尾管熱電轉(zhuǎn)換裝置
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
節(jié)能環(huán)保問(wèn)題備受關(guān)注，我國(guó)正在積極施行能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。但是在日常生活中，能源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，尤其是不可再生燃料能源。柴油、汽油等汽車燃料的利用率不高，大量熱能通過(guò)排氣尾管廢氣散發(fā)出去。本設(shè)計(jì)從堿金屬熱電轉(zhuǎn)換裝置將熱能轉(zhuǎn)化為熱電勢(shì)的工作特性入手，利用汽車尾氣正常行駛的高溫，以熱電轉(zhuǎn)換電路和鉛酸蓄電池儲(chǔ)能電路為載體，實(shí)現(xiàn)了汽車尾氣廢熱的回收利用，提高了汽車燃料的利用率。
詳細(xì)介紹：
汽車在正常運(yùn)行中汽車尾氣排出氣缸，溫度極高，攜帶大量熱能，熱量不斷散發(fā)，浪費(fèi)了大部分來(lái)自燃料的能量，非?？上?。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器AMTEC是工質(zhì)鈉通過(guò)固體電解質(zhì)等溫膨脹做功的熱機(jī)原理實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的，當(dāng)溫度不斷升高時(shí)，其輸出的電能也不斷增多，電功率不斷增大。溫度在600℃至900℃范圍內(nèi)時(shí)，單管Na-AMTEC能產(chǎn)生約1.5V的電壓和0.5W到1W每平方厘米的功率。 堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：和熱電偶比較，其轉(zhuǎn)換效率是熱電偶的幾百倍； 與半導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)換器件相比，其耐壓性好，可工作溫度高，壽命長(zhǎng)，抗輻射性好；與HI-Z系列器件相比，熱電轉(zhuǎn)換效率高。它安裝占用空間小，便于與汽車排氣尾管等發(fā)熱部位裝配使用；它的最適溫度工作區(qū)間與汽車排氣尾管的溫度相符合，是理想的汽車熱電轉(zhuǎn)換器件。 在汽車穩(wěn)定運(yùn)行后，雖然尾氣溫度會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)小的范圍內(nèi)，但不可避免的會(huì)上下波動(dòng)，這樣產(chǎn)生的電壓也會(huì)隨溫度而波動(dòng)，輸出電能不穩(wěn)定，易損壞電路器件和用電設(shè)備，不宜直接利用，因此要加裝穩(wěn)壓電路穩(wěn)定波形，輸出直流穩(wěn)定的電壓。 輸出一定數(shù)值電壓只能適用于小部分耗電或儲(chǔ)能設(shè)備，需要通過(guò)集成運(yùn)放對(duì)電壓進(jìn)行合理放大，進(jìn)一步輸出我們所需要的蓄電電壓。經(jīng)過(guò)對(duì)集成運(yùn)放的調(diào)節(jié)，電壓值符合鉛酸電池的充電要求后，就能進(jìn)行電能的儲(chǔ)存了。 綜上所述：我們從高溫排氣尾管出發(fā)，利用堿金屬熱電轉(zhuǎn)換裝置將高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)換為隨溫度變化波動(dòng)的電能，這部分電能經(jīng)過(guò)輸出固定電壓的整流電路后，通入比例可調(diào)的放大電路，經(jīng)放大后得到符合要求的直流電壓，最后輸出到鉛酸蓄電池，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換電能的儲(chǔ)存。

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)目的： 將汽車排氣尾管的熱能轉(zhuǎn)化為電能，提高燃料利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保，為汽車排氣尾管余熱利用提供參考思路。 基本思路： 從高溫排氣尾管出發(fā)，利用堿金屬熱電轉(zhuǎn)換裝置將高溫廢熱轉(zhuǎn)換為隨溫度變化波動(dòng)的電能，這部分電能經(jīng)過(guò)輸出固定電壓的整流電路后，通入比例可調(diào)的放大電路，經(jīng)放大后得到符合要求的直流電壓，最后輸出給鉛酸蓄電池，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換電能的儲(chǔ)存。 創(chuàng)新點(diǎn)： (1)將汽車尾氣中的熱能轉(zhuǎn)換成可直接利用的電能 (2)利用轉(zhuǎn)換效率高的鈉型堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器（Na-AMTEC） (3)熱電轉(zhuǎn)換裝置體積較小，便于安裝，使用壽命達(dá)10年以上 (4)成本低（保守估算市場(chǎng)價(jià)格約為1100元/臺(tái)），可投入市場(chǎng)，能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。 技術(shù)指標(biāo)： (1)尾氣溫度：600℃至800℃ (2)堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器Na-AMTEC工作溫度：600℃至900℃ (3)本裝置的輸出電壓、電流和功率：12V，3A，36~39W (4)穩(wěn)壓器LM7806典型輸入電壓：10V(5)鉛酸蓄電池12V系列的充電電壓：11V至15V，充電功率36W左右。

科學(xué)性、先進(jìn)性

從中國(guó)知網(wǎng)、維普等知名數(shù)據(jù)庫(kù)未檢索出國(guó)內(nèi)外有關(guān)汽車尾氣廢熱回收的參考方案，相關(guān)的使用器件和回收方法都有待研究。 迄今，雖有一些利用尾氣直接發(fā)電的技術(shù)、裝置，但其裝置龐大復(fù)雜，且成本昂貴，如美國(guó)密西西比大學(xué)利用汽車廢氣發(fā)電的裝置、國(guó)內(nèi)利用排氣尾管加裝發(fā)電機(jī)的余熱利用裝置等，顯然不適合中小排量汽車的廢熱回收利用。 與其他技術(shù)產(chǎn)品相比，本裝置使用了體積小的堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器。它與同體積、同接觸面積的HI-Z系列器件或熱電偶相比，其轉(zhuǎn)換效率高，一般達(dá)30%以上； 與半導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)換器件相比耐壓性好，可工作溫度高，抗輻射性強(qiáng)，壽命可達(dá)十年以上。而且它最適工作溫度區(qū)間600℃至900℃與汽車正常行駛的尾氣溫度相符。本裝置所用的兩根集成熱電轉(zhuǎn)換器分別由四根Na-AMTEC單管組成，直徑僅為57mm，長(zhǎng)度10cm，十分便于與汽車尾管等發(fā)熱部位結(jié)合；整流芯片LM7805、集成運(yùn)放AD707AH等電子器件均為常用器件，成本低廉；整個(gè)裝置使用簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換后儲(chǔ)存的電能可便捷的使用。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

無(wú)

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無(wú)

作品可展示的形式

模型

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

使用說(shuō)明：本裝置使用簡(jiǎn)單，與熱源結(jié)合后，只需在溫度穩(wěn)定時(shí)，按下電路的控制開關(guān)，就能實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存；充電完畢后，將電壓、電流配套的用電設(shè)備接入即可使用。 技術(shù)特點(diǎn)：⑴利用堿金屬熱電轉(zhuǎn)換裝置有效轉(zhuǎn)化熱能用于發(fā)電⑵利用穩(wěn)壓電路和集成運(yùn)放按輸出要求提供直流電壓⑶使用鉛酸蓄電池儲(chǔ)存電能，作為后續(xù)使用的電源。 適用范圍：本裝置體積小。電路部分使用器件常見，設(shè)計(jì)合理，便于集成和大規(guī)模生產(chǎn)，降低了企業(yè)生產(chǎn)的硬件軟件要求?？砂惭b在產(chǎn)生高溫?zé)嵩吹牡胤健Ｔ黾訅A金屬熱電轉(zhuǎn)換器的數(shù)量，可提高輸出電壓和輸出功率。對(duì)排熱型工廠的廢熱回收也有顯著的效果。 市場(chǎng)分析及經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)：裝置所用的常見器材成本低，而Na-AMTEC的價(jià)格相比于汽車燃料浪費(fèi)的經(jīng)濟(jì)損失也很低。按市場(chǎng)價(jià)算，成本最高1123元。若每輛汽車都安裝我們的裝置，保守估算一年可節(jié)省1667.1億元，平均每輛汽車為2316.69元。對(duì)該裝置設(shè)計(jì)思路的進(jìn)一步研究拓展必將成為可供參考的節(jié)能減排新思路，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益將是十分巨大的。

同類課題研究水平概述

從中國(guó)知網(wǎng)、維普等知名數(shù)據(jù)庫(kù)未檢索出國(guó)內(nèi)外有關(guān)汽車尾氣廢熱回收的參考方案，相關(guān)的使用器件和回收方法都有待研究。 據(jù)相關(guān)資料顯示，在汽車熱電轉(zhuǎn)換方面，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金和能源部投資140萬(wàn)美元用于研制一種新型汽車尾氣發(fā)電機(jī)，有普渡大學(xué)、密西西比大學(xué)等參與研究，目前尚未得出明確結(jié)果，且該研究設(shè)計(jì)復(fù)雜龐大，耗費(fèi)巨大。與此同時(shí)，美國(guó)HI-Z公司為熱電轉(zhuǎn)換研制了一種熱電模塊，在溫差為200℃時(shí)，單片模塊輸出功率可達(dá)20W。而日本NISSAN汽車公司研制中心，利用熱電偶的熱電轉(zhuǎn)換原理，在汽油機(jī)的排氣管中部，添加了熱電轉(zhuǎn)換模塊，可以將尾氣中11%的熱量轉(zhuǎn)換成電能。不過(guò)上述裝置，現(xiàn)在還在研究階段，并沒有投入生產(chǎn)。 同時(shí)，在國(guó)內(nèi)只有華東師范大學(xué)與電子科大兩所大學(xué)正在研制用于廢熱回收的熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電機(jī)。相關(guān)的吉林合力部件有限公司生產(chǎn)出一種汽車余熱發(fā)電系統(tǒng)，它是在后排氣管上安裝一種能量轉(zhuǎn)換器，能量轉(zhuǎn)換器的電量輸出端通過(guò)連接器連接汽車電池的輸入端。在汽車行駛時(shí)，通過(guò)后排氣管排放高熱量的尾氣，能量轉(zhuǎn)換器吸收熱能并轉(zhuǎn)換電能，其轉(zhuǎn)換效率未知。同類利用汽車尾氣余熱的發(fā)明設(shè)計(jì)還有：華北水利水電大學(xué)的利用汽車尾氣熱量實(shí)現(xiàn)對(duì)物品進(jìn)行保溫的保溫箱。 目前，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)主要應(yīng)用于一些高技術(shù)領(lǐng)域，比如通信技術(shù)中光纖接口處的精確溫控利用了熱電致冷技術(shù)；微波通信技術(shù)中處于極地、沙漠、森林等無(wú)人地區(qū)的微波中繼站的電源多數(shù)使用了熱電發(fā)電技術(shù)。此外，諸如垃圾焚燒余熱、煉鋼廠的廢熱發(fā)電的研究也正在開展，日本、美國(guó)和德國(guó)已擁有一些相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)，而大規(guī)模的生產(chǎn)正在進(jìn)一步商榷籌劃中。除了在汽車方面的研究，人們也正在擴(kuò)大熱電轉(zhuǎn)換用于其他方面的研究。現(xiàn)在市場(chǎng)上也出現(xiàn)了很多利用熱電轉(zhuǎn)換原理生產(chǎn)的產(chǎn)品。便攜式熱電冰箱、油燈燃料余熱放電裝置、熱電飲水機(jī)和熱電空調(diào)等都已不再陌生并有待進(jìn)一步的推廣使用。 二十一世紀(jì)將是一個(gè)使用綠色能源為主的高技術(shù)時(shí)代，熱電轉(zhuǎn)換理念正在被更多的科技工作者和研發(fā)型企業(yè)關(guān)注，各地區(qū)各領(lǐng)域的相關(guān)深入研究正在如火如荼的展開。
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