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摘要：本文主要探讨了LNG汽车尾气余热和冷能回收的温差发电的研究。从汽车发动机尾气余热温差发电的原理出发，探讨了温差发电材料及其模块，最后探讨了温差发电装置的组成及其工作原理。
关键词：天然气汽车；尾气；余热冷能回收；温差发电
【分类号】TM913
笔者认为有效应对当今能源危机的重要举措是提高对燃料的有效利用率，并对消耗的能量尽可能的进行回收。众所周知，汽车的能源消耗率相当之高，如何对汽车的尾气进行回收就会十分关键。一方面，汽车尾气带走了大量的热能，而这些热能正是可以作为重复开发利用的二次能源；另一方面，汽车尾气随便排放最终会对环境造成不可逆转的污染，不符合对能源健康使用的要求。传统的燃油汽车会造成严重的空气污染，为了保护环境及减小对石油的依赖程 度，世界上许多国家致力于发展燃气汽车。我国正在积极推进液化天然气汽车的发展，液化天然气汽车中的燃料液化天然气储存温度低，经水浴加热后成为常温的天然气，再进入发动机燃烧，因为液化天然气处于很低的温度下，所以它拥有的冷却能力是相当可观 的，对于燃料液化天然气蕴含的大量高品位冷能，目前尚未发展出成熟的回收利用技术，一 般都被白白浪费，造成经济损失[1]。在本文中，笔者主要探讨了天然气汽车的尾气余热和冷能回收的温差发电，从汽车发动机尾气余热温差发电的原理出发，探讨了温差发电材料及其模块，最后探讨了温差发电装置的组成及其工作原理。
1. 温差发电原理
20世纪60年代提出的温差发电概念就被用于解决汽车排气余热浪费的问题。温差发电技术是利用热电材料将热能直接转换为电能的新型发电技术。近年来，随着对能源和环境等问题的日益重视，温差发电作为一种“绿色”可靠的发电方式，已成为低品位能源高效利用领域的研究热点，具有广泛的应用前景。温差发电是利用某些半导体材料的塞贝克效应将热能转化为电能，具体表现为在 半导体材料的冷端和热端存在温差时，两端就会建立电势差，若再构成回路，就有电流产 生，此时半导体材料的作用相当于直流电源，基于这样的原理，可以用半导体材料构成温差 发电器，对给定的电路，温差发电器的发电效率定义为输出到负载上的电能与热端吸热量之比，理论上，发电效率只与温差发电器两端的温差及半导体材料本身的性质有关，其他条 件给定时，温差越大，发电效率越高，而且对同样大小温差，越处于低温区，发电效率越高。 温差发电器具有结构简单、寿命长、无噪声、无运动件等优点，所以在空间探索、医用、低品 位热能利用等很多领域得到应用[2]。
2. 温差发电材料及模块
2.1 温差发电材料
温差发电原理自从被发现到现在广泛运用已经经历了近两百年的时间，在这两百年的时间中，不仅仅温差发电的理论得到了拓展和完善，同时，对温差发电材料的选择也有了极大的进步和发展，越来越多的高科技温差发电材料被科研工作人员挖掘出来。从近年来对于温差发电材料的研究中可以得知以下信息：决定温差发电材料的具体性能一般有两项，一项是温差发电材料的塞贝克系数，此系数的代数值越大，表明此材料的热电能转换效率越高。另一项是温差发电材料的导热系数，此系数的代数值越大，表明此材料越容易导热，越能够低消耗和低耗损的传递热能。在温差发电学中一般采用优值系数Z 来表达某种材料的热电能转换性能。此系数涵盖了以上两个系数的综合值，能够更为直观、合理、全面地反映一个系数的热电能转换效应[3]。
2.2 温差发电模块
作为温差发电装置中的主体装置———温差发电模块，它在温差发电装置中起着核心的作用，不仅能够调节整体电路的温度差值，防止因为温度分布不均匀导致热能的耗损和电器的损坏，同时还能够对热电能的转换进行优化，目前市场上有很多公司对此类温差发电模块都有着自身的研究和推广，并且市场上的各种温差发电模块都有着个体的优势和短板，在进行实际选择时，往往需要综合各方面的情况，然后进行具体的选择。
3. 温差发电装置的组成及其工作原理
目前大多数温差发电装置主要由以下几个部件组成：管道（分为尾气吸收端和排出端）、热电转换中心装置、连接装置和中心调控设备等。一般来说汽车尾气先从管道的吸收端进入整个温差发电装置的内部，然后尾气在管道中进行传递，一直到尾气排出端，管道的尾气传输过程是温差发电中极为重要的一环。在尾气进行传输的过程中，热能可以通过热传递的方式从管道中传到热电转换中心装置，根据中心调控装置对其具体内部温度进行合理的调控，然后实现温差发电，顺利把热能转换为电能。热能被吸收后的尾气则从温差发电装置的尾端排出，冷却的尾气在排出端与较热的尾气在吸收端形成相互对流，从而达到装置尾气的自动运行状态[4]。
一种基于温差发电的液化天然气汽车冷能回收系统，包括液化天然气储罐，液化 天然气储罐的底部出口通过控制阀和温差发电器中的冷流体侧换热器进口相连，冷流体侧换热器出口和液化天然气汽车发动机的燃料进口相连，液化天然气汽车发动机的排气管与催化反应器相连，催化反应器通过调节阀的第一出口通向环境，调节阀的第二出口和温差发电器中的热流体侧换热器进口连接，然后再通过温差发电器中的热流体侧换热器出口通向环境，系统的充电电路包括调压电路，调压电路与车 用发电机、用电设备和蓄电池并联，电流表串联在调压电路与蓄电池之间， 温差发电器引出的正负极与调压电路相连接，开关和用电设备串联。
利用低温液化天然气和高温发动机排气之间的大温差构建温差发电器，不仅能回收液化天然气的冷能，而且利用了液化天然气在低温下的冷火用，实现了对液化天然气冷能“质”的利用。低温液化天然气从液化天然气储罐通过控制阀进入到温差发电器中的冷流体侧换热器，进入温差发电器中的液化天然气被汽化，同时作为温差发电器的低温冷源，气态的天然气从温差发电器导出后进入发动机，发动机的排气进入催化反应器，被催化净化后，进入到调节阀，通过调节阀的排气被分成两部分，一部分排气进入到温差发电器中的热流体侧换热器，此部分排气将温差发电器另一侧的液化天然气汽化，同时作为温差发电器的高温热源，降温后的排气和另一部分没有降温的排气汇合后排到外界环境，排气的热量通过温差发电器时被转化为电能输出，同时利用了液化天然气的冷却能力，也即回收了液化天然气的冷能[5]。
参考文献：
[1] Liang Guangchuan，Pu He，Li Jun，et al. Air Separation Processby Usage of LNG Cold Energy and Its Performance [J]. NaturalGas and Oil，2013，31（3）：28-30.
[2] 李强，余继文，赵玉清，等.汽车尾气排放数据检测与分析[J].长春工业大学学报：自然科学版，2012，33（2）：218-222.
[3] Lin Wensheng， Gu Anzhong， Lu Xuesheng， et al. Thermodynamic Analysis of LNG Cold Energy Utilized by Air Separation Units[J]. Cryogenic Technology， 2003，（3）：26-30.
[4] Zhang Lixi，Tang Qiong. Comparisons of Different PowerGeneration Processes by LNG Cold Energy[Z]. American： Elsevier B.V. Selection and/or Peer Review Under Responsibility of American Applied Science Research Institute， 2012.
[5] 欧阳羽宸，叶似锦，陈耀武，等.基于船舶柴油机排气管的温差发电装置[J].电源技术，2013（08）
作者简介：
吴伟志（1983—），湖北武穴，经济师，研究方向：车辆工程；
孙恒五（1967—），河南长葛，教授，研究方向：现代机械设计技术。
关键词：天然气汽车；尾气；余热冷能回收；温差发电
【分类号】TM913
笔者认为有效应对当今能源危机的重要举措是提高对燃料的有效利用率，并对消耗的能量尽可能的进行回收。众所周知，汽车的能源消耗率相当之高，如何对汽车的尾气进行回收就会十分关键。一方面，汽车尾气带走了大量的热能，而这些热能正是可以作为重复开发利用的二次能源；另一方面，汽车尾气随便排放最终会对环境造成不可逆转的污染，不符合对能源健康使用的要求。传统的燃油汽车会造成严重的空气污染，为了保护环境及减小对石油的依赖程 度，世界上许多国家致力于发展燃气汽车。我国正在积极推进液化天然气汽车的发展，液化天然气汽车中的燃料液化天然气储存温度低，经水浴加热后成为常温的天然气，再进入发动机燃烧，因为液化天然气处于很低的温度下，所以它拥有的冷却能力是相当可观 的，对于燃料液化天然气蕴含的大量高品位冷能，目前尚未发展出成熟的回收利用技术，一 般都被白白浪费，造成经济损失[1]。在本文中，笔者主要探讨了天然气汽车的尾气余热和冷能回收的温差发电，从汽车发动机尾气余热温差发电的原理出发，探讨了温差发电材料及其模块，最后探讨了温差发电装置的组成及其工作原理。
1. 温差发电原理
20世纪60年代提出的温差发电概念就被用于解决汽车排气余热浪费的问题。温差发电技术是利用热电材料将热能直接转换为电能的新型发电技术。近年来，随着对能源和环境等问题的日益重视，温差发电作为一种“绿色”可靠的发电方式，已成为低品位能源高效利用领域的研究热点，具有广泛的应用前景。温差发电是利用某些半导体材料的塞贝克效应将热能转化为电能，具体表现为在 半导体材料的冷端和热端存在温差时，两端就会建立电势差，若再构成回路，就有电流产 生，此时半导体材料的作用相当于直流电源，基于这样的原理，可以用半导体材料构成温差 发电器，对给定的电路，温差发电器的发电效率定义为输出到负载上的电能与热端吸热量之比，理论上，发电效率只与温差发电器两端的温差及半导体材料本身的性质有关，其他条 件给定时，温差越大，发电效率越高，而且对同样大小温差，越处于低温区，发电效率越高。 温差发电器具有结构简单、寿命长、无噪声、无运动件等优点，所以在空间探索、医用、低品 位热能利用等很多领域得到应用[2]。
2. 温差发电材料及模块
2.1 温差发电材料
温差发电原理自从被发现到现在广泛运用已经经历了近两百年的时间，在这两百年的时间中，不仅仅温差发电的理论得到了拓展和完善，同时，对温差发电材料的选择也有了极大的进步和发展，越来越多的高科技温差发电材料被科研工作人员挖掘出来。从近年来对于温差发电材料的研究中可以得知以下信息：决定温差发电材料的具体性能一般有两项，一项是温差发电材料的塞贝克系数，此系数的代数值越大，表明此材料的热电能转换效率越高。另一项是温差发电材料的导热系数，此系数的代数值越大，表明此材料越容易导热，越能够低消耗和低耗损的传递热能。在温差发电学中一般采用优值系数Z 来表达某种材料的热电能转换性能。此系数涵盖了以上两个系数的综合值，能够更为直观、合理、全面地反映一个系数的热电能转换效应[3]。
2.2 温差发电模块
作为温差发电装置中的主体装置———温差发电模块，它在温差发电装置中起着核心的作用，不仅能够调节整体电路的温度差值，防止因为温度分布不均匀导致热能的耗损和电器的损坏，同时还能够对热电能的转换进行优化，目前市场上有很多公司对此类温差发电模块都有着自身的研究和推广，并且市场上的各种温差发电模块都有着个体的优势和短板，在进行实际选择时，往往需要综合各方面的情况，然后进行具体的选择。
3. 温差发电装置的组成及其工作原理
目前大多数温差发电装置主要由以下几个部件组成：管道（分为尾气吸收端和排出端）、热电转换中心装置、连接装置和中心调控设备等。一般来说汽车尾气先从管道的吸收端进入整个温差发电装置的内部，然后尾气在管道中进行传递，一直到尾气排出端，管道的尾气传输过程是温差发电中极为重要的一环。在尾气进行传输的过程中，热能可以通过热传递的方式从管道中传到热电转换中心装置，根据中心调控装置对其具体内部温度进行合理的调控，然后实现温差发电，顺利把热能转换为电能。热能被吸收后的尾气则从温差发电装置的尾端排出，冷却的尾气在排出端与较热的尾气在吸收端形成相互对流，从而达到装置尾气的自动运行状态[4]。
一种基于温差发电的液化天然气汽车冷能回收系统，包括液化天然气储罐，液化 天然气储罐的底部出口通过控制阀和温差发电器中的冷流体侧换热器进口相连，冷流体侧换热器出口和液化天然气汽车发动机的燃料进口相连，液化天然气汽车发动机的排气管与催化反应器相连，催化反应器通过调节阀的第一出口通向环境，调节阀的第二出口和温差发电器中的热流体侧换热器进口连接，然后再通过温差发电器中的热流体侧换热器出口通向环境，系统的充电电路包括调压电路，调压电路与车 用发电机、用电设备和蓄电池并联，电流表串联在调压电路与蓄电池之间， 温差发电器引出的正负极与调压电路相连接，开关和用电设备串联。
利用低温液化天然气和高温发动机排气之间的大温差构建温差发电器，不仅能回收液化天然气的冷能，而且利用了液化天然气在低温下的冷火用，实现了对液化天然气冷能“质”的利用。低温液化天然气从液化天然气储罐通过控制阀进入到温差发电器中的冷流体侧换热器，进入温差发电器中的液化天然气被汽化，同时作为温差发电器的低温冷源，气态的天然气从温差发电器导出后进入发动机，发动机的排气进入催化反应器，被催化净化后，进入到调节阀，通过调节阀的排气被分成两部分，一部分排气进入到温差发电器中的热流体侧换热器，此部分排气将温差发电器另一侧的液化天然气汽化，同时作为温差发电器的高温热源，降温后的排气和另一部分没有降温的排气汇合后排到外界环境，排气的热量通过温差发电器时被转化为电能输出，同时利用了液化天然气的冷却能力，也即回收了液化天然气的冷能[5]。
参考文献：
[1] Liang Guangchuan，Pu He，Li Jun，et al. Air Separation Processby Usage of LNG Cold Energy and Its Performance [J]. NaturalGas and Oil，2013，31（3）：28-30.
[2] 李强，余继文，赵玉清，等.汽车尾气排放数据检测与分析[J].长春工业大学学报：自然科学版，2012，33（2）：218-222.
[3] Lin Wensheng， Gu Anzhong， Lu Xuesheng， et al. Thermodynamic Analysis of LNG Cold Energy Utilized by Air Separation Units[J]. Cryogenic Technology， 2003，（3）：26-30.
[4] Zhang Lixi，Tang Qiong. Comparisons of Different PowerGeneration Processes by LNG Cold Energy[Z]. American： Elsevier B.V. Selection and/or Peer Review Under Responsibility of American Applied Science Research Institute， 2012.
[5] 欧阳羽宸，叶似锦，陈耀武，等.基于船舶柴油机排气管的温差发电装置[J].电源技术，2013（08）
作者简介：
吴伟志（1983—），湖北武穴，经济师，研究方向：车辆工程；
孙恒五（1967—），河南长葛，教授，研究方向：现代机械设计技术。