基于柴油機大溫差余熱回收的半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)研究.pdf

1、柴油機是石油資源的主要消耗者之一,也是CO2排放的重要來源,開展柴油機節(jié)能研究對節(jié)能減排具有重要意義。柴油機燃燒柴油所產(chǎn)生的能量中,大約有30％的能量以廢熱形式由尾氣排出,不但造成了燃料的浪費,而且會對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。溫差發(fā)電技術(shù)是利用熱電轉(zhuǎn)換材料直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能的新能源技術(shù),具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點,可以對柴油機排氣中的廢熱進(jìn)行有效的回收利用,在內(nèi)燃機余熱利用領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文通過對半導(dǎo)體溫差發(fā)電原

2、理進(jìn)行總結(jié)和歸納,詳細(xì)分析了柴油機余熱特性和半導(dǎo)體熱電材料性能。針對柴油機大溫差余熱回收的特點以及半導(dǎo)體熱電材料最佳工作溫度區(qū)間較窄的特性,提出了半導(dǎo)體材料梯級分段溫差發(fā)電系統(tǒng)。本文從理論上建立了梯級分段和常規(guī)兩種類型溫差電單偶的數(shù)學(xué)模型,利用該數(shù)學(xué)模型對分段和常規(guī)溫差電單偶進(jìn)行了模擬分析,計算了不同條件下溫差電單偶的輸出功率和熱電轉(zhuǎn)換效率,并將分段溫差電單偶的性能與常規(guī)溫差電單偶進(jìn)行對比。分析結(jié)果表明,提高熱端表面溫度、降低冷端表面溫

3、度、提高表面對流傳熱系數(shù),縮短溫差電單偶的長度和增大溫差電單偶的橫截面積可以提高溫差電單偶的最大輸出功率,但對熱電轉(zhuǎn)換效率的影響較為復(fù)雜,改變橫截面積對熱電轉(zhuǎn)換效率影響較小,縮短溫差電單偶的長度甚至?xí)棺畲筠D(zhuǎn)換效率降低。相比較于常規(guī)溫差電單偶,分段溫差電單偶可以適應(yīng)較大的冷熱端溫差變化范圍,輸出功率和熱電轉(zhuǎn)換效率均有提高。且冷熱端溫差越大分段溫差電單偶的性能優(yōu)勢越明顯。當(dāng)熱端表面溫度為700K,冷端表面溫度為300K時,溫差為400K,

4、材料長度分段比例為3:1的分段溫差電單偶輸出功率較常規(guī)溫差電單偶中輸出功率較高的CoSb3溫差電單偶仍高出33.5%。
　　為了驗證溫差發(fā)電理論模型,本文設(shè)計并搭建了溫差發(fā)電系統(tǒng)實驗臺,利用該試驗臺對溫差電模塊的性能進(jìn)行了測試。獲得了與理論分析相同的性能規(guī)律,同時,在對比熱端溫度和冷端溫度變化對溫差發(fā)電模塊性能影響的過程中,發(fā)現(xiàn)在所測試的冷熱端溫度下,降低冷端溫度比提高熱端溫度可以更有效的提高溫差發(fā)電模塊的輸出功率。因此,在設(shè)計溫