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摘 要：热电转换技术是当前能源研究的重点课题之一，热电转换技术在新能源汽车上的普遍应用，将是继化石燃料后，又一重要动力能源。本文综述了热电转换技术在汽车上的应用研究现状，分析了发展趋势及前景。
关键词：热电转换；新能源；内燃机；余热
【分类号】：TG333.7
当前，环境和能源问题成为各国不得不面对的严峻问题，随着工业的高速发展，人类社会对化石燃料的依赖程度越来越高，进而出现了严重的环境破坏问题，如我国华北地区出现了严重的雾霾天气、全球气候变暖、城市热岛效应等。化石燃料是可不再生能源，据科学家预测，其可开采和利用的空间越来越少，预计现有的资源可供人类使用50年，故石化能源的枯竭是人类必须面对的重大考验。
1.热电转换技术的原理和优势
热电转换技术并非新的理论和技术，早在1823年德国的物理学家Seebeck就在实验中发现，由2种不同的导体或导电类型不同的半导体构成的闭合回路的2个节点温度不同时，2节点间会产生电动势，且在回路中有电流通过，这种现象被称为塞贝克效应或温差电效应。
1.1热电转换技术的原理
热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，它包括：Seebeck（塞贝克）效应、Peltier（玻尔帖）效应、Thomson（汤姆逊）效应。可用于温差发电的热电材料有金属、非氧化物半导体热电材料、氧化物热电材料、低维热电材料、准晶材料等。衡量热电材料优劣的指标为其“优值”Z=α?σ/λ的高低，式中α为塞贝克系数，σ为电导率，λ为热导率。
1.2热电转换技术的优势
传统汽车化石燃料产生的能量只有约30%转换为机械能来驱动汽车行驶，另外约40%以废气方式排放，还有30%在引擎的冷却过程中流失，其能源利用效率较低，废气和引擎的冷却均以热能的方式散失掉。热电转换材料理论上可将一切热能转换为电能，其工作无任何机械传动部件，不产生噪声；不存在污染；安全可靠性高，控制灵活。有理论研究证明，若能将热电发电技术应用于汽车上，可望节约能源20%。
2.汽车产生的废热转换
2.1尾气排放热电转换
燃料燃燒能量损失最多的是尾气排放，尾气最高温度可达600-700℃，汽车怠速时400℃左右。热电材料根据工作温度不同，分为低温（300℃以下）热电材料、中温（300-600℃）热电材料、高温（600-1000℃）热电材料。汽车尾气的排放温度显然适
合某些热电材料的工作温度，如适合中温的热电材料PbTe-SnTe、适合高温的热电材料SiGe、MnTe、SiRe2、CeS等。在实际应用过程中，选择最佳的热电材料使用于合适的温度区域，可提高热电转换效率。
应用于尾气排放的热电转换装置安装于排气管外，一般沿着排气管外壁铺设。热电材料的一面与排气管外壁接触，形成高温区；热电材料的另一面需要做必要的冷却处理，通常可采用风冷或水冷，形成低温区。理论上，高温区和低温区的温差可达500-600℃。
大众汽车公司于2009年2月6日宣布正式开发出装配有用于废热回收热电发生器的原型汽车。在高速公路驱动条件下，从热电发生器可产出600W电力。由热电发生器产生的电力可提供汽车电力需求的30%，进而降低了汽车
交流发电机的负载，减少燃料消耗5%以上。
另外，BMW和DLR（德国宇航局）也开发了一种热电发生器（TEG）系统，最大输出电力为200MW，已成功应用于汽车行驶超过12000㎞。BMW与通用汽车公司将热电发生器系统与汽油动力系统相集成，并已在汽车上试验成功。
福特汽车公司和通用汽车公司将开发汽车热电采暖、通风和空调（TE HVAC）系统。TE HVAC系统可替代现在汽车中采用R-134a制冷剂的空调，R-134a对全球变暖的潜在影响比CO2要高出1300倍。
2.2发动机体热电转换
与尾气排放热电转换类似，发动机体的热电转换在理论上也是可行的。发动机工作时，最高燃烧温度可能高达2500℃，即使在怠速或中等转速下，燃烧室的平均温度也在1000℃以上。可见，发动机体不经冷却降温前的温度大大高于排气温度，由此可获得更大的温差，热电材料内电子运动更加剧烈，产生较大的电势能。但就目前的研究水平来讲，热电材料在发动机体上的应用还没有实现技术难题的突破。如发动机缸体、缸盖由金属材料整体铸造，在保证发动机整体的强度要求下，无法在缸体或缸盖内预留更多的空间安装热电材料，且热电材料线束无法合理布置；另外，直接接触燃烧的区域，如燃烧室内壁、缸套内壁，这些材料需要具有耐高温、耐磨特性，热胀冷缩特性也要求合理，因此，目前的热电材料无法满足以上要求，不能在发动机体上得到实际应用。
3.结束语
热电转换技术在新能源汽车上的应用具有广泛的应用前景。从研究结果看，目前设计结构的温差不高，热电偶数量较少，存在着效率低下、成本偏高、结构不够紧凑等问题。在热电材料研究取得突破之前，采用强化热电直接转换技术，开发出大功率、高性能、高经济性的转换器件和转换系统，将是当前研究的重点。
参考文献
1 钱伯章.新能源汽车与新型蓄能电池及热电转换技术.北京：科学出版社.2010，08
2 崔胜民.新能源汽车技术.北京：北京大学出版社.2009，09
3 邵毅明，刘建勋.汽车新能源与节能技术.北京：人民交通出版社.2008，03
4 陈家瑞，马天飞.汽车构造.北京：人民交通出版社.2006，06
关键词：热电转换；新能源；内燃机；余热
【分类号】：TG333.7
当前，环境和能源问题成为各国不得不面对的严峻问题，随着工业的高速发展，人类社会对化石燃料的依赖程度越来越高，进而出现了严重的环境破坏问题，如我国华北地区出现了严重的雾霾天气、全球气候变暖、城市热岛效应等。化石燃料是可不再生能源，据科学家预测，其可开采和利用的空间越来越少，预计现有的资源可供人类使用50年，故石化能源的枯竭是人类必须面对的重大考验。
1.热电转换技术的原理和优势
热电转换技术并非新的理论和技术，早在1823年德国的物理学家Seebeck就在实验中发现，由2种不同的导体或导电类型不同的半导体构成的闭合回路的2个节点温度不同时，2节点间会产生电动势，且在回路中有电流通过，这种现象被称为塞贝克效应或温差电效应。
1.1热电转换技术的原理
热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，它包括：Seebeck（塞贝克）效应、Peltier（玻尔帖）效应、Thomson（汤姆逊）效应。可用于温差发电的热电材料有金属、非氧化物半导体热电材料、氧化物热电材料、低维热电材料、准晶材料等。衡量热电材料优劣的指标为其“优值”Z=α?σ/λ的高低，式中α为塞贝克系数，σ为电导率，λ为热导率。
1.2热电转换技术的优势
传统汽车化石燃料产生的能量只有约30%转换为机械能来驱动汽车行驶，另外约40%以废气方式排放，还有30%在引擎的冷却过程中流失，其能源利用效率较低，废气和引擎的冷却均以热能的方式散失掉。热电转换材料理论上可将一切热能转换为电能，其工作无任何机械传动部件，不产生噪声；不存在污染；安全可靠性高，控制灵活。有理论研究证明，若能将热电发电技术应用于汽车上，可望节约能源20%。
2.汽车产生的废热转换
2.1尾气排放热电转换
燃料燃燒能量损失最多的是尾气排放，尾气最高温度可达600-700℃，汽车怠速时400℃左右。热电材料根据工作温度不同，分为低温（300℃以下）热电材料、中温（300-600℃）热电材料、高温（600-1000℃）热电材料。汽车尾气的排放温度显然适
合某些热电材料的工作温度，如适合中温的热电材料PbTe-SnTe、适合高温的热电材料SiGe、MnTe、SiRe2、CeS等。在实际应用过程中，选择最佳的热电材料使用于合适的温度区域，可提高热电转换效率。
应用于尾气排放的热电转换装置安装于排气管外，一般沿着排气管外壁铺设。热电材料的一面与排气管外壁接触，形成高温区；热电材料的另一面需要做必要的冷却处理，通常可采用风冷或水冷，形成低温区。理论上，高温区和低温区的温差可达500-600℃。
大众汽车公司于2009年2月6日宣布正式开发出装配有用于废热回收热电发生器的原型汽车。在高速公路驱动条件下，从热电发生器可产出600W电力。由热电发生器产生的电力可提供汽车电力需求的30%，进而降低了汽车
交流发电机的负载，减少燃料消耗5%以上。
另外，BMW和DLR（德国宇航局）也开发了一种热电发生器（TEG）系统，最大输出电力为200MW，已成功应用于汽车行驶超过12000㎞。BMW与通用汽车公司将热电发生器系统与汽油动力系统相集成，并已在汽车上试验成功。
福特汽车公司和通用汽车公司将开发汽车热电采暖、通风和空调（TE HVAC）系统。TE HVAC系统可替代现在汽车中采用R-134a制冷剂的空调，R-134a对全球变暖的潜在影响比CO2要高出1300倍。
2.2发动机体热电转换
与尾气排放热电转换类似，发动机体的热电转换在理论上也是可行的。发动机工作时，最高燃烧温度可能高达2500℃，即使在怠速或中等转速下，燃烧室的平均温度也在1000℃以上。可见，发动机体不经冷却降温前的温度大大高于排气温度，由此可获得更大的温差，热电材料内电子运动更加剧烈，产生较大的电势能。但就目前的研究水平来讲，热电材料在发动机体上的应用还没有实现技术难题的突破。如发动机缸体、缸盖由金属材料整体铸造，在保证发动机整体的强度要求下，无法在缸体或缸盖内预留更多的空间安装热电材料，且热电材料线束无法合理布置；另外，直接接触燃烧的区域，如燃烧室内壁、缸套内壁，这些材料需要具有耐高温、耐磨特性，热胀冷缩特性也要求合理，因此，目前的热电材料无法满足以上要求，不能在发动机体上得到实际应用。
3.结束语
热电转换技术在新能源汽车上的应用具有广泛的应用前景。从研究结果看，目前设计结构的温差不高，热电偶数量较少，存在着效率低下、成本偏高、结构不够紧凑等问题。在热电材料研究取得突破之前，采用强化热电直接转换技术，开发出大功率、高性能、高经济性的转换器件和转换系统，将是当前研究的重点。
参考文献
1 钱伯章.新能源汽车与新型蓄能电池及热电转换技术.北京：科学出版社.2010，08
2 崔胜民.新能源汽车技术.北京：北京大学出版社.2009，09
3 邵毅明，刘建勋.汽车新能源与节能技术.北京：人民交通出版社.2008，03
4 陈家瑞，马天飞.汽车构造.北京：人民交通出版社.2006，06