当今社会，能源已成为人类社会生存和发展的重要基础物质，对能源的开发和利用极大地推动着世界经济和人类社会的发展。

改革开放以来，随着中国经济的快速发展和工业化、城镇化进程的加快，对能源需求便不断的增长，到如今，中国已经是世界上第一的能源生产国和消费国。中国能源资源总量丰富，但中国人口众多，能源资源分布广泛却不均衡且能源资源开发难度较大，因此人均能源资源拥有量在世界上依旧处于较低水平。而且化石能源储量有限，所以逐步摆脱对传统化石能源的依赖和提高能源利用率、积极寻找节能方法以及开发新能源已成为当务之急。其中温差发电材料科学的快速发展吸引了国内外较大的关注，因为其所带来的温差发电技术是一种利用高、低温热源之间的温差进行发电、对废热进行开发的无污染的技术，而在我们周围就有太多"余热"可以利用，如废气热、废水热、废火热、太阳热等。在能源需求日益增长的今天，它的出现使任意相态的物质、任意局部环境温度的智能化、数字化、程序化控制成为了可能，我们将能随心所欲的控制温度，因此温差发电技术成为了世界各国的研究热点。

温差发电器是一种对温差发电技术应用的新型电子器件，它有着无噪音、无污染、能量可高效转换的特点，其中由于半导体的温差电动势较大，因此大都是用它来制作温差发电器。现在它在各方面都有着相应的应用，如日常方面，同位素温差发电器在地面和海洋开发中的应用主要有灯塔、航标、海底声纳等。环保方面主要在于对低级热的利用。所谓的低级热包括垃圾燃烧热、工业废热、地热、汽车排气管的余热、太阳热、海洋热能等，热源的温度范围很广。采用温差发电技术大规模利用低级热，可以开发出无污染的清洁能源。温差发电器甚至在军事方面的雷达、导航设备等和航天方面的飞船上都被使用。

其中对汽车尾气余热进行温差发电的研究，能够极大提升汽车的节能减排。随着经济的增长，中国机动车保有量不断上升，据统计^[1]，在2018年全国新注册的登记机动车就达3172万辆，而机动车的总保有量已达3.27亿辆，在这其中汽车占2.4亿辆，小型载客汽车首次突破2亿辆；机动车驾驶人员也突破4亿人，达到4.09亿人。截止至2018年底，全国汽车保有量已经达到2.4亿辆，比之2017年增加了2285万辆，增长了10.51%，可以预见，未来机动车总量还会进一步上升。而众所周知，汽车产业是典型的高能耗产业。在这庞大的汽车保有量中，以汽油和柴油为燃料的传统内燃机车辆，依旧占据极大多数。但这些传统的内燃机汽车其能量利用率却并不高，根据相关研究^[2]，汽车发动机目前的热能利用率约为30%，其余大部分热能则是以冷却水和尾气等方式带出发动机，而这其中又有大约40%的热能以尾气余热的形式被排放到空气中，造成极大的能源浪费。在汽车排放法规越来越严厉和国家提倡绿色环保、节能减排的大背景下，开发汽车尾气余热温差发电器，可以有效地将汽车尾气中的热能转化成电能，有利于提高内燃机的能源利用率，达成节能减排的目的。

1.2国内外的研究现状分析

自从Secbeck于1821年发现塞贝克效应以来，许多国家对温差发电进行了大量的研究，在1947年，第一台温差发电器终于问世。在这之后许多国家的政府和公司都有投入资金用于开发温差发电技术，使得全球范围内掀起了研发这种绿色电源的浪潮。如前苏联先后制造了1000多个放射性同位素温差发电器，广泛用于卫星电源、灯塔和导航标识，美国也不甘落后，自1961年起在二十多项空间任务中使用了同位素温差发电器做电源，例如著名的阿波罗登月计划、飞向外层行星的旅游者、海盗号火星着陆器、伽利略飞船等。1997年，美国成功地发射了有同位素温差发电器作电源的探测土星的卡西尼行星际飞船。2006年，发射了同样用温差发电器作电源的探测冥王星的新视野号飞船。

在企业方面，早在1990年，美国Hi-Z公司就进行了载重汽车余热温差发电器的开发计划，其为热电转换研制了一种热电模块，并在2001年使用研制的热电模块开发了装备在250KW康明斯柴油机载重货车上的温差发电装置^[3]。1998年，日本Nissan汽车公司研制中心开发了SiGe合金热电转换模块，在道路试验中，其热电转换装置的转换效率达到11%^[4-5]。2004年美国通用汽车公司研发的轻型卡车尾气发电项目的温差发电装置在其公司生产的Sierra轻型皮卡上得到成功应用^[6]，在FTP工况下可节省燃油达3%-4%。2005年其乘用车尾气余热温差发电项目展开，研制的Skutterudites材料的模块能有效地提高燃油经济性达5%^[7]。2009年大众汽车公司研发出装有热电发电装置的原型汽车，其通过热电模块转换的电能，可满足30%的整车电气需求量并可以减少约5%的燃料消耗量^[8-9]。
随着对能源需求的加剧，各个国家也愈发重视温差发电这项发展前景广阔的技术。如果此项技术能够成功应用在汽车上，那么将能极大地缓解世界能源危机。总的来说，目前对于温差发电技术的研究，国外已经走向了使其实用化的方面，特别是在汽车领域方面的应用，其研究更是发展快速。

与国外相比，我国对温差发电技术领域的研究起步较晚，才刚刚处于初步研究阶段，而且还是处于理论研究阶段，远未到达可以实际的工程应用阶段，这与我国的国情以及对这方面的科研投入是有着很大关系的。过去很长一段时间里我国在温差发电技术产品的自主创新方面基本为零。最近一些年来，由于能源的紧缺以及对环保的要求，国家也开始投入温差发电技术，在国家的大力支持下，温差发电技术取得了长足的进步。

武汉理工大学的邓亚东等^[10]基于对汽车尾气温差发电装置热场数值模拟的分析，提出了一种能够改善温差发电装置热端和冷端温度分布均匀性的集成结构，使之最大化地发挥装置的热电转换性能，从而为温差发电装置实现全面车载创造更多有利条件。上海交通大学的全睿等^[11]首先构建汽车尾气余热热电转换台架试验装置 ，再通过初期的试验，分析发动机不同转速下分流器影响尾气出口温度的因素，并测试不同气体流场结构下的集热器表面温度分布情况和热电转换模块的输出性能，最后综合初期试验结果和实际经验提出对系统设计与集成的改进措施。

但无论是国外还是国内，由于气体自身热导率低，热容小，与传热面进行热交换，其传热系数不高，所以温差发电装置的热量转换效率并不是很高，因此研究者都在想方设法地提高汽车尾气的传热效率。Musial等^[12]研究的重点是建立一个数值模型，确定分散锥对换热器温度分布的影响和对换热器能量转换效率的影响。因为分散元件的作用是混合气流，改善内部换热器翅片之间的流动，以加强换热。试验最后获得了较好的传热比和热电模块热侧的最佳温度分布，结果清晰地表明，分散锥的存在使热电发电机的效率提高至少25%。上海工程技术大学的胡伟平^[13]从结构方面入手，提出一种新型结构的平板式温差发电器矩形换热通道，他在通道内壁面加入了平直翅片，用来强化汽车尾气与通道壁面之间的对流换热强度，之后对不同换热管道进行试验分析，实验结果表明，翅片管的壁面平均温度、开路电压负载功率均要高于光滑管道，其中某种类型翅片管是最高的。武汉理工大学的袁晓红^[14]针对影响热电转换效率的关键问题——温差发电装置热端与冷端温度特性开展研究，包括热端仿真及温度场研究、冷端性能仿真及优化、整车工况下温差发电装置热电性能研究，并综合各种数据和分析设计出层叠平板式温差发电装置，有效地提高了对尾气废热的利用。