基於溫差發電的混合動力腳踏車的研究與分析論文

基於溫差發電的混合動力腳踏車的研究與分析論文

　　引言

　　當前，我國正處於社會經濟高速發展階段，提升能源利用效率對於解決能源危機，穩定社會經濟發展秩序具有十分重要的意義。一項研究資料顯示，目前單缸發動機的能量的65%是透過空氣和尾氣排放到大氣中，這不僅加劇了溫室效應更是敲響了能源危機的警鐘。如何開發和利用新能源已逐漸成為我國急需攻克的技術難題。溫差發電作為一種新型的發電方式具有其明顯的優勢，它不僅具有高效率無汙染的特點，還提升了發電的科學性和安全性。本文主要研究了一種基於溫差發電的混合動力腳踏車，並提出了一些看法。

　　1國內外研究現狀綜述

　　從50年代末期我國關於溫差發電點的相關研究才開始起步，我國目前大功率的溫差發電模組仍處於研究階段，且大功率的溫差電系統只是處於理論模擬上及試驗階段，但是在較小功率上，目前已經研製出功率在5w~6w的發電產品並且已經商品化。清華大學的徐立珍等人積極致力於廢熱溫差發電研究，並積極搭建了一個專門的汽車尾氣廢熱溫差發電測試平臺，制定了對比研究方案，以驗證其溫差發電的合理性與有效性。他們將發電器冷端風冷與水冷技術方案進行了系統地對比與分析，最終得出了各溫差發電模組在不同熱端溫度條件和負載下的輸出功率，並研究了各方案的經濟性。此後，吉林大學的劉洪陽和武漢理工大學的鄧亞東等人也針對汽車尾氣餘熱溫差發電技術進行了深入研究和探討，並得出了發電器的組裝設計和熱點模組連線的規律。上述研究都要求以溫差發電的基本原理為依據，透過建立實驗模型的方式明確其研究目的和方向，並積極開展實驗研究與理論研討。這種研究方法和思路對後來研究者的研究影響較大。

　　1998年，日本汽車公司專門研製出了一套熱電系統，開創了溫差發電技術的先例。該熱點系統共有72塊熱電模組，各熱電模組的規格是統一的，當其冷熱端的溫差量達到最大，即563K時，整個系統的單位發電量也達到最大值L2 W。該系統採用SUS304合金材料製作而成，冷端冷卻水套為鋁質材料，保證了其發電過程的安全性和穩定J哇。研究人員為測試此係統的發電效能專門設計了一個汽油車爬坡實驗，當汽車的行駛速度達到60km/h時，熱電系統的峰值功率達到了35.6W。通用汽車公司和俄亥俄州立大學在溫差發電領域開展了廣泛合作，共同出資進行實驗研究，利用汽車尾氣餘熱和空氣間的溫度差研製出了一個溫差發電裝置，該裝置可以利用溫度差進行發電，這一裝置明顯提升了汽車的燃油利用效率，節油效果顯著。2001年康明斯公司在250kW C335HP)柴油機上進行了溫差裝置實驗，在一個傳統的.溫差發電裝置上增加了72塊HZ一14模組，並使系統溫差保持在250℃到270℃之間，從而產生了30V/1kW的直流電。

　　2混動系統山地腳踏車的改裝

　　近年來國家大力推廣騎腳踏車，甚至不少公交站設定了公共腳踏車，但由於腳踏車代步費力，特別是騎行山地腳踏車經常穿越於野外，在上坡時更是需要人力手推爬上坡才能繼續騎行。市而上現行的的電動腳踏車不僅重量大且續航里程短，而混合動力山地腳踏車融合了人力、單缸發動機助力的腳踏車被行家看好，但是由於發動機熱量利用率只能達到40%，為了提高能源利用率故採取溫差發電的方式以此減少能量損失。目前國外對於溫差發電的研究比較成熟而我國這方而的研究還只是處於小功率試驗階段。故文章從山地腳踏車的改裝和溫差發電相結合來進行研究的闡述。

　　2.1發動機的選配目前市而上在售的發動機按做功行程分為二衝程發動機和四衝程發動機而二衝程發動機主要由氣缸蓋、氣缸、活塞、活塞環等零件組成，四衝程發動機主要由兩大機構五大系統組成。相比較而言，二衝程發動機比四衝程發動機體積小、結構簡單、重量輕、製造維修方便，且二衝程發動機曲軸轉一圈做功一次。四衝程發動機曲軸轉兩圈做一次功，由此二衝程發動機比四衝程發動機扭矩輸出的更加均勻;而且在曲軸轉速和工作容積相同的條件下，二衝程發動機輸出的功率要比四衝程發動機高出一倍。而實際上因二衝程發動機有掃氣損失，且在換氣時減少了有效的工作行程，儘管如此它的實際輸出功率還是比四衝程發動機高55%~70%。因此從做工效率方而考慮選用二衝程發動機是最理想的選擇。

　　2.2腳踏車的選配近年來，前減震的應用逐漸成為行業通用標準，前後減震的車輛越來越普及。目前，山地腳踏車主要包括三類，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物件，設計了一種基於溫差發電的混合動力腳踏車。與其他兩種山地腳踏車相比，硬尾山地腳踏車的前叉避震器功能更為完善，其車身主要採用高品質的鋁合金或碳纖維打造而成，經久耐用，受到了使用者的一致好評。

　　為提高單缸發動機的能量利用率以及山地腳踏車的使用效能，採用單缸發動機加裝技術于山地腳踏車，使腳踏車與二衝程單缸發動機及溫差發電的有效結合。山地腳踏車改裝為混合動力山地車，油箱為2.0L加大嵌入式油箱，經濟時速可以跑130公里以上，中置發動機具有穩定J哇好，動力強勁的特點，美觀大方，拼接緊湊，動力相互分離、自由切換。可以使用人力腳踏，也可以使用燃油動力;既可鍛鍊身體，又可提高行駛動力性。並利用溫差發電西伯克效應將熱能直接轉換為電能，作為提供夜間行駛照明和音響的電源並存儲於電池中。

　　2.3發動機中置圖解車架上下管是採用三角形和梯形，並相對設計，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力和拉伸應力，查詢資料得壓縮應力和拉伸應力數值相等，腳踏車的上管主要承受壓縮應力，下管主要承受拉伸應力，所以將發動機裝置於車架上管和下管中間既美觀也符合力學效能。

　　3發動機尾氣餘熱利用的系統最佳化設計

　　有關實驗結果顯示，目前半導體溫差發電模組的單位發電量大幅度上升，同時其熱能消耗率顯著下降。但若溫差發電模組的溫差過小就無法達到預期的發電效果。本小組之所以用單缸發動機尾氣餘熱和風冷做為溫差源，是因為混合動力腳踏車行駛時風速流動快和排氣溫度高從而溫差較大，混合動力腳踏車怠速時溫度可達到300攝氏度左右且在怠速5分鐘之內排氣管溫度最多上升到250攝氏度左右，行駛中溫度會穩定在150攝氏度左右，且比較穩定。同時利用風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，達到其預期發電效果。半導體溫差電偶模組作為一種良好的導熱材料，其兩而必須接受溫度高低差異較大的能量才能順利發電，且溫差還需繼續保持下去，若模組兩而的溫度接近那麼發電模組就無法輸出電流和電壓。

　　3.1發電模組的安裝與設計①熱電模組為長方形，而汽車排氣管的外形輪廓均為圓形或者橢圓形，這就導致熱電模組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行發電。理想的排氣管道形狀為長方體式。②熱點模組的冷端通常採用風冷方式進行降溫，以保證其溫差的穩定性。同時，設計者還專門將散熱片設計為長方體式，使其模組表而能夠充分散熱，迅速降溫。要想實現系統的高效發電，就必須提升模組兩端的溫度差，增加發電動力。③在進行溫差發電模組安裝位置選擇時，設計者首先要考慮排氣管溫度場分佈的均勻性和溫度範圍是否合理，如發現問題應及時解決。當確保溫度器安裝無誤後，設計人員就可以進一步瞭解整個排氣管的溫度走向，以保證其正常工作。本課題組做了發動機尾氣沿排氣管走向的溫度檢測採用電偶式精密的溫儀器進行測量，且分兩種情況既行駛中和怠速時以時間為橫座標溫度為縱座標以發動機排氣支管為起點、排氣管末端為終點，等間距5cm測得不同發動機轉速下各個測溫點的溫度分佈情況。分析得出結論混合動力腳踏車在行駛中和怠速時排氣管的溫度分佈近乎相等。

　　3.5熱電模組拓撲結構需要注意的一點是，單片發電模組的發電量是有限的，必須積極收集尾氣廢熱能量以有效提升其模組的發電量。為解決這一問題，技術人員可以採用串並聯熱點模組的方式提升其廢熱收集量，提升系統發電率。根據電路相關理論知識，熱電模組不同的串並聯接法，對模組組的輸出功率有不同的影響。一般的溫差發電裝置中，熱電模組在廢熱通道表而以矩陣形式佈置，下圖是本組採用的佈置方式。

　　4結論

　　溫差發電作為一種新型環保技術，有效地解決了我國電力資源不足問題，它透過熱電材料完成了熱能向電能的轉換過程，該項技術如果得到大範圍的推廣和應用，人們就可以隨時隨地建立起一個小型的溫差發電系統，從而滿足其用電需要。溫差發電技術實現了廢熱的高效利用，變廢為寶，一舉兩得。目前，該技術已在美國和日本的多個行業得到廣泛應用，並取得了良好成效。我國可以在此基礎上積極借鑑發達國家的成功經驗，加強對基於溫差發電的混合動力腳踏車的研究力度，並嘗試將研究結果應用於其他綠色新能源技術領域，為發展迴圈經濟、建立資源節約型和環境友好型社會奠定良好基礎。

　　參考文獻:

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　　[3]姜曉麗.半導體溫差發電裝置的研究.大連理工大學，2009, 6.