基于温差发电的混合动力自行车的研究与分析论文
引言
当前，我国正处于社会经济高速发展阶段，提升能源利用效率对于解决能源危机，稳定社会经济发展秩序具有十分重要的意义。一项研究数据显示，目前单缸发动机的能量的65%是通过空气和尾气排放到大气中，这不仅加剧了温室效应更是敲响了能源危机的警钟。如何开发和利用新能源已逐渐成为我国急需攻克的技术难题。温差发电作为一种新型的发电方式具有其明显的优势，它不仅具有高效率无污染的特点，还提升了发电的科学性和安全性。本文主要研究了一种基于温差发电的混合动力自行车，并提出了一些看法。
1国内外研究现状综述
从50年代末期我国关于温差发电点的相关研究才开始起步，我国目前大功率的温差发电模块仍处于研究阶段，且大功率的温差电系统只是处于理论仿真上及试验阶段，但是在较小功率上，目前已经研制出功率在5w~6w的发电产品并且已经商品化。清华大学的徐立珍等人积极致力于废热温差发电研究，并积极搭建了一个专门的汽车尾气废热温差发电测试平台，制定了对比研究方案，以验证其温差发电的合理性与有效性。他们将发电器冷端风冷与水冷技术方案进行了系统地对比与分析，最终得出了各温差发电模块在不同热端温度条件和负载下的输出功率，并研究了各方案的经济性。此后，吉林大学的刘洪阳和武汉理工大学的邓亚东等人也针对汽车尾气余热温差发电技术进行了深入研究和探讨，并得出了发电器的组装设计和热点模块连接的规律。上述研究都要求以温差发电的基本原理为依据，通过建立实验模型的方式明确其研究目的和方向，并积极开展实验研究与理论研讨。这种研究方法和思路对后来研究者的研究影响较大。
1998年，日本汽车公司专门研制出了一套热电系统，开创了温差发电技术的先例。该热点系统共有72块热电模块，各热电模块的规格是统一的，当其冷热端的温差量达到最大，即563K时，整个系统的单位发电量也达到最大值L2 W。该系统采用SUS304合金材料制作而成，冷端冷却水套为铝质材料，保证了其发电过程的安全性和稳定J哇。研究人员为测试此系统的发电性能专门设计了一个汽油车爬坡实验，当汽车的行驶速度达到60km/h时，热电系统的峰值功率达到了35.6W。通用汽车公司和俄亥俄州立大学在温差发电领域开展了广泛合作，共同出资进行实验研究，利用汽车尾气余热和空气间的温度差研制出了一个温差发电装置，该装置可以利用温度差进行发电，这一装置明显提升了汽车的燃油利用效率，节油效果显著。2001年康明斯公司在250kW C335HP)柴油机上进行了温差装置实验，在一个传统的.温差发电装置上增加了72块HZ一14模块，并使系统温差保持在250℃到270℃之间，从而产生了30V/1kW的直流电。
2混动系统山地自行车的改装
近年来国家大力推广骑自行车，甚至不少公交站设置了公共自行车，但由于自行车代步费力，特别是骑行山地自行车经常穿越于野外，在上坡时更是需要人力手推爬上坡才能继续骑行。市而上现行的的电动自行车不仅重量大且续航里程短，而混合动力山地自行车融合了人力、单缸发动机助力的自行车被行家看好，但是由于发动机热量利用率只能达到40%，为了提高能源利用率故采取温差发电的方式以此减少能量损失。目前国外对于温差发电的研究比较成熟而我国这方而的研究还只是处于小功率试验阶段。故文章从山地自行车的改装和温差发电相结合来进行研究的阐述。
2.1发动机的选配目前市而上在售的发动机按做功行程分为二冲程发动机和四冲程发动机而二冲程发动机主要由气缸盖、气缸、活塞、活塞环等零件组成，四冲程发动机主要由两大机构五大系统组成。相比较而言，二冲程发动机比四冲程发动机体积小、结构简单、重量轻、制造维修方便，且二冲程发动机曲轴转一圈做功一次。四冲程发动机曲轴转两圈做一次功，由此二冲程发动机比四冲程发动机扭矩输出的更加均匀;而且在曲轴转速和工作容积相同的条件下，二冲程发动机输出的功率要比四冲程发动机高出一倍。而实际上因二冲程发动机有扫气损失，且在换气时减少了有效的工作行程，尽管如此它的实际输出功率还是比四冲程发动机高55%~70%。因此从做工效率方而考虑选用二冲程发动机是最理想的选择。
2.2自行车的选配近年来，前减震的应用逐渐成为行业通用标准，前后减震的车辆越来越普及。目前，山地自行车主要包括三类，即硬尾山地车、软尾山地车、多用途山地车。本研究以硬尾山地车为研究对象，设计了一种基于温差发电的混合动力自行车。与其他两种山地自行车相比，硬尾山地自行车的前叉避震器功能更为完善，其车身主要采用高品质的铝合金或碳纤维打造而成，经久耐用，受到了使用者的一致好评。
为提高单缸发动机的能量利用率以及山地自行车的使用性能，采用单缸发动机加装技术于山地自行车，使自行车与二冲程单缸发动机及温差发电的有效结合。山地自行车改装为混合动力山地车，油箱为2.0L加大嵌入式油箱，经济时速可以跑130公里以上，中置发动机具有稳定J哇好，动力强劲的特点，美观大方，拼接紧凑，动力相互分离、自由切换。可以使用人力脚踏，也可以使用燃油动力;既可锻炼身体，又可提高行驶动力性。并利用温差发电西伯克效应将热能直接转换为电能，作为提供夜间行驶照明和音响的电源并存储于电池中。
2.3发动机中置图解车架上下管是采用三角形和梯形，并相对设计，使得更多的材料集中在车架两端。也就是说铝合金能够承受更高的压缩应力和拉伸应力，查询资料得压缩应力和拉伸应力数值相等，自行车的上管主要承受压缩应力，下管主要承受拉伸应力，所以将发动机装置于车架上管和下管中间既美观也符合力学性能。
3发动机尾气余热利用的系统优化设计
有关实验结果显示，目前半导体温差发电模块的单位发电量大幅度上升，同时其热能消耗率显著下降。但若温差发电模块的温差过小就无法达到预期的发电效果。本小组之所以用单缸发动机尾气余热和风冷做为温差源，是因为混合动力自行车行驶时风速流动快和排气温度高从而温差较大，混合动力自行车怠速时温度可达到300摄氏度左右且在怠速5分钟之内排气管温度最多上升到250摄氏度左右，行驶中温度会稳定在150摄氏度左右，且比较稳定。同时利用风冷无能量输送损耗的问题，只要摩托车行驶在路上就可以获得其理想温差，达到其预期发电效果。半导体温差电偶模块作为一种良好的导热材料，其两而必须接受温度高低差异较大的能量才能顺利发电，且温差还需继续保持下去，若模块两而的温度接近那么发电模块就无法输出电流和电压。
3.1发电模块的安装与设计①热电模块为长方形，而汽车排气管的外形轮廓均为圆形或者椭圆形，这就导致热电模块无法直接安装在排气管上。在此情况下，只有改变排气管理的形状，保证其排气通常才能更好地进行发电。理想的排气管道形状为长方体式。②热点模块的冷端通常采用风冷方式进行降温，以保证其温差的稳定性。同时，设计者还专门将散热片设计为长方体式，使其模块表而能够充分散热，迅速降温。要想实现系统的高效发电，就必须提升模块两端的温度差，增加发电动力。③在进行温差发电模块安装位置选择时，设计者首先要考虑排气管温度场分布的均匀性和温度范围是否合理，如发现问题应及时解决。当确保温度器安装无误后，设计人员就可以进一步了解整个排气管的温度走向，以保证其正常工作。本课题组做了发动机尾气沿排气管走向的温度检测采用电偶式精密的温仪器进行测量，且分两种情况既行驶中和怠速时以时间为横坐标温度为纵坐标以发动机排气支管为起点、排气管末端为终点，等间距5cm测得不同发动机转速下各个测温点的温度分布情况。分析得出结论混合动力自行车在行驶中和怠速时排气管的温度分布近乎相等。
3.5热电模块拓扑结构需要注意的一点是，单片发电模块的发电量是有限的，必须积极收集尾气废热能量以有效提升其模块的发电量。为解决这一问题，技术人员可以采用串并联热点模块的方式提升其废热收集量，提升系统发电率。根据电路相关理论知识，热电模块不同的串并联接法，对模块组的输出功率有不同的影响。一般的温差发电装置中，热电模块在废热通道表而以矩阵形式布置，下图是本组采用的布置方式。
4结论
温差发电作为一种新型环保技术，有效地解决了我国电力资源不足问题，它通过热电材料完成了热能向电能的转换过程，该项技术如果得到大范围的推广和应用，人们就可以随时随地建立起一个小型的温差发电系统，从而满足其用电需要。温差发电技术实现了废热的高效利用，变废为宝，一举两得。目前，该技术已在美国和日本的多个行业得到广泛应用，并取得了良好成效。我国可以在此基础上积极借鉴发达国家的成功经验，加强对基于温差发电的混合动力自行车的研究力度，并尝试将研究结果应用于其他绿色新能源技术领域，为发展循环经济、建立资源节约型和环境友好型社会奠定良好基础。
参考文献:
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[2]董桂田.汽车发动机排气废热的温差发电.北京节能，1997,4:7-9.
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