基于溫差發(fā)電的混合動(dòng)力自行車的研究與分析論文
引言
當(dāng)前，我國正處于社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展階段，提升能源利用效率對于解決能源危機(jī)，穩(wěn)定社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展秩序具有十分重要的意義。一項(xiàng)研究數(shù)據(jù)顯示，目前單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的能量的65%是通過空氣和尾氣排放到大氣中，這不僅加劇了溫室效應(yīng)更是敲響了能源危機(jī)的警鐘。如何開發(fā)和利用新能源已逐漸成為我國急需攻克的技術(shù)難題。溫差發(fā)電作為一種新型的發(fā)電方式具有其明顯的優(yōu)勢，它不僅具有高效率無污染的特點(diǎn)，還提升了發(fā)電的科學(xué)性和安全性。本文主要研究了一種基于溫差發(fā)電的混合動(dòng)力自行車，并提出了一些看法。
1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述
從50年代末期我國關(guān)于溫差發(fā)電點(diǎn)的相關(guān)研究才開始起步，我國目前大功率的溫差發(fā)電模塊仍處于研究階段，且大功率的溫差電系統(tǒng)只是處于理論仿真上及試驗(yàn)階段，但是在較小功率上，目前已經(jīng)研制出功率在5w~6w的發(fā)電產(chǎn)品并且已經(jīng)商品化。清華大學(xué)的徐立珍等人積極致力于廢熱溫差發(fā)電研究，并積極搭建了一個(gè)專門的汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電測試平臺(tái)，制定了對比研究方案，以驗(yàn)證其溫差發(fā)電的合理性與有效性。他們將發(fā)電器冷端風(fēng)冷與水冷技術(shù)方案進(jìn)行了系統(tǒng)地對比與分析，最終得出了各溫差發(fā)電模塊在不同熱端溫度條件和負(fù)載下的輸出功率，并研究了各方案的經(jīng)濟(jì)性。此后，吉林大學(xué)的劉洪陽和武漢理工大學(xué)的鄧亞東等人也針對汽車尾氣余熱溫差發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了深入研究和探討，并得出了發(fā)電器的組裝設(shè)計(jì)和熱點(diǎn)模塊連接的規(guī)律。上述研究都要求以溫差發(fā)電的基本原理為依據(jù)，通過建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆绞矫鞔_其研究目的和方向，并積極開展實(shí)驗(yàn)研究與理論研討。這種研究方法和思路對后來研究者的研究影響較大。
1998年，日本汽車公司專門研制出了一套熱電系統(tǒng)，開創(chuàng)了溫差發(fā)電技術(shù)的先例。該熱點(diǎn)系統(tǒng)共有72塊熱電模塊，各熱電模塊的規(guī)格是統(tǒng)一的，當(dāng)其冷熱端的溫差量達(dá)到最大，即563K時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的單位發(fā)電量也達(dá)到最大值L2 W。該系統(tǒng)采用SUS304合金材料制作而成，冷端冷卻水套為鋁質(zhì)材料，保證了其發(fā)電過程的安全性和穩(wěn)定J哇。研究人員為測試此系統(tǒng)的發(fā)電性能專門設(shè)計(jì)了一個(gè)汽油車爬坡實(shí)驗(yàn)，當(dāng)汽車的行駛速度達(dá)到60km/h時(shí)，熱電系統(tǒng)的峰值功率達(dá)到了35.6W。通用汽車公司和俄亥俄州立大學(xué)在溫差發(fā)電領(lǐng)域開展了廣泛合作，共同出資進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，利用汽車尾氣余熱和空氣間的溫度差研制出了一個(gè)溫差發(fā)電裝置，該裝置可以利用溫度差進(jìn)行發(fā)電，這一裝置明顯提升了汽車的燃油利用效率，節(jié)油效果顯著。2001年康明斯公司在250kW C335HP)柴油機(jī)上進(jìn)行了溫差裝置實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)傳統(tǒng)的.溫差發(fā)電裝置上增加了72塊HZ一14模塊，并使系統(tǒng)溫差保持在250℃到270℃之間，從而產(chǎn)生了30V/1kW的直流電。
2混動(dòng)系統(tǒng)山地自行車的改裝
近年來國家大力推廣騎自行車，甚至不少公交站設(shè)置了公共自行車，但由于自行車代步費(fèi)力，特別是騎行山地自行車經(jīng)常穿越于野外，在上坡時(shí)更是需要人力手推爬上坡才能繼續(xù)騎行。市而上現(xiàn)行的的電動(dòng)自行車不僅重量大且續(xù)航里程短，而混合動(dòng)力山地自行車融合了人力、單缸發(fā)動(dòng)機(jī)助力的自行車被行家看好，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)熱量利用率只能達(dá)到40%，為了提高能源利用率故采取溫差發(fā)電的方式以此減少能量損失。目前國外對于溫差發(fā)電的研究比較成熟而我國這方而的研究還只是處于小功率試驗(yàn)階段。故文章從山地自行車的改裝和溫差發(fā)電相結(jié)合來進(jìn)行研究的闡述。
2.1發(fā)動(dòng)機(jī)的選配目前市而上在售的發(fā)動(dòng)機(jī)按做功行程分為二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)而二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)主要由氣缸蓋、氣缸、活塞、活塞環(huán)等零件組成，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)主要由兩大機(jī)構(gòu)五大系統(tǒng)組成。相比較而言，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)比四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)體積小、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、制造維修方便，且二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)一圈做功一次。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)兩圈做一次功，由此二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)比四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出的更加均勻;而且在曲軸轉(zhuǎn)速和工作容積相同的條件下，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率要比四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)高出一倍。而實(shí)際上因二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)有掃氣損失，且在換氣時(shí)減少了有效的工作行程，盡管如此它的實(shí)際輸出功率還是比四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)高55%~70%。因此從做工效率方而考慮選用二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)是最理想的選擇。
2.2自行車的選配近年來，前減震的應(yīng)用逐漸成為行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)，前后減震的車輛越來越普及。目前，山地自行車主要包括三類，即硬尾山地車、軟尾山地車、多用途山地車。本研究以硬尾山地車為研究對象，設(shè)計(jì)了一種基于溫差發(fā)電的混合動(dòng)力自行車。與其他兩種山地自行車相比，硬尾山地自行車的前叉避震器功能更為完善，其車身主要采用高品質(zhì)的鋁合金或碳纖維打造而成，經(jīng)久耐用，受到了使用者的一致好評。
為提高單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的能量利用率以及山地自行車的使用性能，采用單缸發(fā)動(dòng)機(jī)加裝技術(shù)于山地自行車，使自行車與二沖程單缸發(fā)動(dòng)機(jī)及溫差發(fā)電的有效結(jié)合。山地自行車改裝為混合動(dòng)力山地車，油箱為2.0L加大嵌入式油箱，經(jīng)濟(jì)時(shí)速可以跑130公里以上，中置發(fā)動(dòng)機(jī)具有穩(wěn)定J哇好，動(dòng)力強(qiáng)勁的特點(diǎn)，美觀大方，拼接緊湊，動(dòng)力相互分離、自由切換�？梢允褂萌肆δ_踏，也可以使用燃油動(dòng)力;既可鍛煉身體，又可提高行駛動(dòng)力性。并利用溫差發(fā)電西伯克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，作為提供夜間行駛照明和音響的電源并存儲(chǔ)于電池中。
2.3發(fā)動(dòng)機(jī)中置圖解車架上下管是采用三角形和梯形，并相對設(shè)計(jì)，使得更多的材料集中在車架兩端。也就是說鋁合金能夠承受更高的壓縮應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，查詢資料得壓縮應(yīng)力和拉伸應(yīng)力數(shù)值相等，自行車的上管主要承受壓縮應(yīng)力，下管主要承受拉伸應(yīng)力，所以將發(fā)動(dòng)機(jī)裝置于車架上管和下管中間既美觀也符合力學(xué)性能。
3發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱利用的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，目前半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的單位發(fā)電量大幅度上升，同時(shí)其熱能消耗率顯著下降。但若溫差發(fā)電模塊的溫差過小就無法達(dá)到預(yù)期的發(fā)電效果。本小組之所以用單缸發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱和風(fēng)冷做為溫差源，是因?yàn)榛旌蟿?dòng)力自行車行駛時(shí)風(fēng)速流動(dòng)快和排氣溫度高從而溫差較大，混合動(dòng)力自行車怠速時(shí)溫度可達(dá)到300攝氏度左右且在怠速5分鐘之內(nèi)排氣管溫度最多上升到250攝氏度左右，行駛中溫度會(huì)穩(wěn)定在150攝氏度左右，且比較穩(wěn)定。同時(shí)利用風(fēng)冷無能量輸送損耗的問題，只要摩托車行駛在路上就可以獲得其理想溫差，達(dá)到其預(yù)期發(fā)電效果。半導(dǎo)體溫差電偶模塊作為一種良好的導(dǎo)熱材料，其兩而必須接受溫度高低差異較大的能量才能順利發(fā)電，且溫差還需繼續(xù)保持下去，若模塊兩而的溫度接近那么發(fā)電模塊就無法輸出電流和電壓。
3.1發(fā)電模塊的安裝與設(shè)計(jì)①熱電模塊為長方形，而汽車排氣管的外形輪廓均為圓形或者橢圓形，這就導(dǎo)致熱電模塊無法直接安裝在排氣管上。在此情況下，只有改變排氣管理的形狀，保證其排氣通常才能更好地進(jìn)行發(fā)電。理想的排氣管道形狀為長方體式。②熱點(diǎn)模塊的冷端通常采用風(fēng)冷方式進(jìn)行降溫，以保證其溫差的穩(wěn)定性。同時(shí)，設(shè)計(jì)者還專門將散熱片設(shè)計(jì)為長方體式，使其模塊表而能夠充分散熱，迅速降溫。要想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效發(fā)電，就必須提升模塊兩端的溫度差，增加發(fā)電動(dòng)力。③在進(jìn)行溫差發(fā)電模塊安裝位置選擇時(shí)，設(shè)計(jì)者首先要考慮排氣管溫度場分布的均勻性和溫度范圍是否合理，如發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)解決。當(dāng)確保溫度器安裝無誤后，設(shè)計(jì)人員就可以進(jìn)一步了解整個(gè)排氣管的溫度走向，以保證其正常工作。本課題組做了發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣沿排氣管走向的溫度檢測采用電偶式精密的溫儀器進(jìn)行測量，且分兩種情況既行駛中和怠速時(shí)以時(shí)間為橫坐標(biāo)溫度為縱坐標(biāo)以發(fā)動(dòng)機(jī)排氣支管為起點(diǎn)、排氣管末端為終點(diǎn)，等間距5cm測得不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下各個(gè)測溫點(diǎn)的溫度分布情況。分析得出結(jié)論混合動(dòng)力自行車在行駛中和怠速時(shí)排氣管的溫度分布近乎相等。
3.5熱電模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要注意的一點(diǎn)是，單片發(fā)電模塊的發(fā)電量是有限的，必須積極收集尾氣廢熱能量以有效提升其模塊的發(fā)電量。為解決這一問題，技術(shù)人員可以采用串并聯(lián)熱點(diǎn)模塊的方式提升其廢熱收集量，提升系統(tǒng)發(fā)電率。根據(jù)電路相關(guān)理論知識(shí)，熱電模塊不同的串并聯(lián)接法，對模塊組的輸出功率有不同的影響。一般的溫差發(fā)電裝置中，熱電模塊在廢熱通道表而以矩陣形式布置，下圖是本組采用的布置方式。
4結(jié)論
溫差發(fā)電作為一種新型環(huán)保技術(shù)，有效地解決了我國電力資源不足問題，它通過熱電材料完成了熱能向電能的轉(zhuǎn)換過程，該項(xiàng)技術(shù)如果得到大范圍的推廣和應(yīng)用，人們就可以隨時(shí)隨地建立起一個(gè)小型的溫差發(fā)電系統(tǒng)，從而滿足其用電需要。溫差發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了廢熱的高效利用，變廢為寶，一舉兩得。目前，該技術(shù)已在美國和日本的多個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好成效。我國可以在此基礎(chǔ)上積極借鑒發(fā)達(dá)國家的成功經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)對基于溫差發(fā)電的混合動(dòng)力自行車的研究力度，并嘗試將研究結(jié)果應(yīng)用于其他綠色新能源技術(shù)領(lǐng)域，為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)奠定良好基礎(chǔ)。
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