基于溫差發(fā)電的混合動力自行車的研究與分析論文
引言
當(dāng)前，我國正處于社會經(jīng)濟高速發(fā)展階段，提升能源利用效率對于解決能源危機，穩(wěn)定社會經(jīng)濟發(fā)展秩序具有十分重要的意義。一項研究數(shù)據(jù)顯示，目前單缸發(fā)動機的能量的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，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，并積極搭建了一個專門的汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電測試平臺，制定了對比研究方案，以驗證其溫差發(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)進行了深入研究和探討，并得出了發(fā)電器的組裝設(shè)計和熱點模塊連接的規(guī)律。上述研究都要求以溫差發(fā)電的基本原理為依據(jù)，通過建立實驗?zāi)Ｐ偷姆绞矫鞔_其研究目的和方向，并積極開展實驗研究與理論研討。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到最大，即563K時，整個系統(tǒng)的單位發(fā)電量也達到最大值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)計了一個汽油車爬坡實驗，當(dāng)汽車的行駛速度達到60km/h時，熱電系統(tǒng)的峰值功率達到了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，共同出資進行實驗研究，利用汽車尾氣余熱和空氣間的溫度差研制出了一個溫差發(fā)電裝置，該裝置可以利用溫度差進行發(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)柴油機上進行了溫差裝置實驗，在一個傳統(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力，特別是騎行山地自行車經(jīng)常穿越于野外，在上坡時更是需要人力手推爬上坡才能繼續(xù)騎行。市而上現(xiàn)行的的電動自行車不僅重量大且續(xù)航里程短，而混合動力山地自行車融合了人力、單缸發(fā)動機助力的自行車被行家看好，但是由于發(fā)動機熱量利用率只能達到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)合來進行研究的闡述。
2.1發(fā)動機的選配目前市而上在售的發(fā)動機按做功行程分為二沖程發(fā)動機和四沖程發(fā)動機而二沖程發(fā)動機主要由氣缸蓋、氣缸、活塞、活塞環(huán)等零件組成，四沖程發(fā)動機主要由兩大機構(gòu)五大系統(tǒng)組成。相比較而言，二沖程發(fā)動機比四沖程發(fā)動機體積小、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、制造維修方便，且二沖程發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)一圈做功一次。四沖程發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)兩圈做一次功，由此二沖程發(fā)動機比四沖程發(fā)動機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)動機輸出的功率要比四沖程發(fā)動機高出一倍。而實際上因二沖程發(fā)動機有掃氣損失，且在換氣時減少了有效的工作行程，盡管如此它的實際輸出功率還是比四沖程發(fā)動機高55%~70%。因此從做工效率方而考慮選用二沖程發(fā)動機是最理想的選擇。
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)計了一種基于溫差發(fā)電的混合動力自行車。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)動機的能量利用率以及山地自行車的使用性能，采用單缸發(fā)動機加裝技術(shù)于山地自行車，使自行車與二沖程單缸發(fā)動機及溫差發(fā)電的有效結(jié)合。山地自行車改裝為混合動力山地車，油箱為2.0L加大嵌入式油箱，經(jīng)濟時速可以跑130公里以上，中置發(fā)動機具有穩(wěn)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�？梢允褂萌肆δ_踏，也可以使用燃油動力;既可鍛煉身體，又可提高行駛動力性。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于電池中。
2.3發(fā)動機中置圖解車架上下管是采用三角形和梯形，并相對設(shè)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(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)動機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)動機尾氣余熱利用的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計
有關(guān)實驗結(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到預(yù)期的發(fā)電效果。本小組之所以用單缸發(fā)動機尾氣余熱和風(fēng)冷做為溫差源，是因為混合動力自行車行駛時風(fēng)速流動快和排氣溫度高從而溫差較大，混合動力自行車怠速時溫度可達到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，行駛中溫度會穩(wěn)定在150攝氏度左右，且比較穩(wěn)定。同時利用風(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行發(fā)電。理想的排氣管道形狀為長方體式。②熱點模塊的冷端通常采用風(fēng)冷方式進行降溫，以保證其溫差的穩(wěn)定性。同時，設(shè)計者還專門將散熱片設(shè)計為長方體式，使其模塊表而能夠充分散熱，迅速降溫。要想實現(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)電動力。③在進行溫差發(fā)電模塊安裝位置選擇時，設(shè)計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)及時解決。當(dāng)確保溫度器安裝無誤后，設(shè)計人員就可以進一步了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(fā)動機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行測量，且分兩種情況既行駛中和怠速時以時間為橫坐標(biāo)溫度為縱坐標(biāo)以發(fā)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(fā)動機轉(zhuǎn)速下各個測溫點的溫度分布情況。分析得出結(jié)論混合動力自行車在行駛中和怠速時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，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，該項技術(shù)如果得到大范圍的推廣和應(yīng)用，人們就可以隨時隨地建立起一個小型的溫差發(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)達國家的成功經(jīng)驗，加強對基于溫差發(fā)電的混合動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、建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會奠定良好基礎(chǔ)。
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