溫差發(fā)電器的特性分析及其基于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱能回收利用的研究.pdf

1、將內(nèi)燃機(jī)的余熱能回收再利用是提高總能效率、降低油耗和CO2排放的一個(gè)有效途徑。溫差發(fā)電器(Thermoelectric generator,TEG)利用了半導(dǎo)體熱電材料將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的特性，具有無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、運(yùn)行安靜、小型輕便和對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在內(nèi)燃機(jī)排氣的余熱能回收利用領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和前景。
　　本文采用了模型研究和實(shí)驗(yàn)研究的方法，進(jìn)行了溫差發(fā)電器的特性分析，及其基于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱能回收利用的研究。從單電偶臂對(duì)的

2、分析，擴(kuò)展到多個(gè)電偶臂對(duì)串聯(lián)成的溫差發(fā)電器，從穩(wěn)態(tài)模型遞進(jìn)至瞬態(tài)模型，然后將模型進(jìn)行橫向擴(kuò)展，與整車行駛工況相耦合，分析瞬態(tài)工況以及一些典型的車輛行駛工況下發(fā)電器的性能，并進(jìn)行了基于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱能利用的溫差發(fā)電器的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。論文主要工作如下：
　　(1)利用CFD(Computational Fluid Dynamics)工具，基于不同的守恒方程表述和邊界條件劃分，對(duì)同一電偶臂對(duì)（即相同的計(jì)算域）建立了兩種三維數(shù)值模型，并指出了

3、前人文獻(xiàn)中相關(guān)模型的不完善之處，對(duì)溫差發(fā)電的深層現(xiàn)象進(jìn)行研究，以理解熱電轉(zhuǎn)換過(guò)程。并對(duì)電偶臂的形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用新結(jié)構(gòu)的電偶臂對(duì)，可以更好的將熱電材料匹配工作溫度區(qū)間，以提高材料的功率密度。CFD模型可以直觀的展示不同工況下電偶臂對(duì)內(nèi)部的溫度分布和電勢(shì)分布云圖。
　　(2)對(duì)于由多個(gè)電偶臂對(duì)組成的溫差發(fā)電器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，研究了冷卻方式、冷熱源溫度、裝配壓力、組合方式和負(fù)載電阻等因素對(duì)發(fā)電性能的影響，為CFD模擬和仿真計(jì)算提

4、供數(shù)據(jù)支撐和驗(yàn)證。重點(diǎn)研究了溫差發(fā)電的瞬態(tài)行為，在溫差發(fā)電器的啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了過(guò)沖現(xiàn)象，該現(xiàn)象是由于冷、熱端與環(huán)境的溫度變化速率不一致造成的，定義過(guò)沖度這一概念對(duì)其進(jìn)行表述。
　　(3)將單電偶臂對(duì)的模型，擴(kuò)展到多個(gè)電偶臂對(duì)串聯(lián)成的溫差發(fā)電器模型，建立了基于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱能利用的溫差發(fā)電器的瞬態(tài)模型，并對(duì)求解過(guò)程中模型的時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng)中的變化給出了介紹。對(duì)于其內(nèi)部不同區(qū)域的守恒方程和邊界條件作了細(xì)致的分析，根據(jù)溫度守恒和熱流密

5、度守恒，建立了四個(gè)界面的熱學(xué)邊界條件；給出了五種啟動(dòng)模式的電學(xué)邊界條件，分別是恒流模式、恒壓模式、最大功率模式、恒功率大電流和恒功率小電流啟動(dòng)模式，分別比較了這五種模式下發(fā)電器的穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)行為，分析了啟動(dòng)過(guò)程中，電偶臂內(nèi)部的溫度、電勢(shì)和熱流變化，對(duì)發(fā)電性能達(dá)到額定功率的時(shí)間進(jìn)行了研究。同時(shí)，考慮了車速和環(huán)境溫度等外部因素對(duì)發(fā)電性能的影響。
　　(4)將發(fā)電器的瞬態(tài)模型進(jìn)行擴(kuò)展，與整車的行駛工況模型相耦合，分析了加、減速工況、階

6、梯車速工況和往復(fù)車速工況中發(fā)電器的性能變化情況。選取了三種典型的車輛行駛工況進(jìn)行分析，分別是10-15、NEDC(New European Driving Cycle)和UDDS(Urban Driving Dynamometer Schedule)工況，代表了日本、歐洲和美國(guó)的典型工況，比較了溫差發(fā)電器在具體行駛工況中，對(duì)于車輛輸出功率的提升。
　　(5)進(jìn)行了溫差發(fā)電器的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。以某1.5 L汽油機(jī)的排氣為熱源，以恒溫