汽车发动机排气余热温差发电技术的研究.pdf

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1、·基础研究·汽车发动机排气余热温差发电技术的研究涂小亮倪计民石秀勇（同济大学）【摘要】设计了一款可应用于汽车排气系统的温差发电热交换装置，其以汽车高温排气为热源、冷却循环水为冷源，在温差发电基本原理即塞贝克效应作用下输出电功率。分析了该发电装置结构设计参数对热电性能的影响，利用试验验证了进气温度与流量对其输出性能的影响，利用仿真模拟软件分析了汽车排气流过热电装置时的温度场和速度压力场，提出了提高发电装置输出性能及效率的优化方案。主题词:排气系统温差发电进气温度进气流量输出性能中图分类号:U464.134文献标识码:A文章编号:1000-3703（2015）04-0022-04Researc

2、honThermoelectricPowerGenerationTechnologyUtilizingAutomobileEngineExhaustHeatTuXiaoliangNiJiminShiXiuyong（TongjiUniversity）【Abstract】Inthisresearch,athermoelectricpowergenerationdevicewhichusesexhaustgasofvehicleengineashotsourceandcirculatedcoolingwaterascoldsourceisdesigned,thisdeviceoutputsele

3、ctricpowerunderthethermoelectriceffectpowergenerationtheory,i.e.theSeebeckEffect.Theeffectofdesignparametersofthisdevicestructureonthermoelectricperformanceisanalyzed,andtheinfluenceoftemperatureandflowrateofintakegasontheoutputperformanceofTEGdeviceisverifiedthroughexperiments.Thepaperalsousessim

4、ulationsoftwaretoanalyzetemperaturefieldandvelocitypressurefieldwhenautomobileexhaustgasflowsthroughthisdeviceandproposeswaystoimprovetheoutputperformanceandefficiencyofTEGdevice.Keywords:Exhaustsystem,Thermoelectricitypowergeneration,Intakeairtemperature,Intakeairflow,Outputperformance1温差发电原理扩散，从

5、而形成电动势，热电材料通过热、冷端间的温差完成了将高温端输入的热能直接转化成电能的研究表明，目前汽车发动机的热效率不到30%，[2]过程。大部分能量损失于汽车发动机的冷却水和高温尾气热源[1]中。若将发动机尾气废热进行再利用，可以进一步提高汽车的能源利用率。热端绝缘片导体温差发电是基于温差发电材料的塞贝克效应，P结N结实现热能到电能的直接转化。如图1所示，将P型和冷端散热N型2种不同类型的半导体热电材料（P型是富空穴电流材料，N型是富电子材料）一端相连形成一个PN结，负载电阻置于高温热源状态，另一端形成低温冷端；在热激发图1温差发电原理示意作用下，P（N）型材料高温端空穴（电子）浓度高于冷

6、热电模块结构如图2所示，通常在一个温差热电端，在这种浓度梯度驱动下，空穴和电子开始向冷端[1]模块中由几十至几百个PN结串联而成。热电模块-22-汽车技术·基础研究·的性能主要包括热电转换效率及其能承受的温度范差作用下产生电压对外负载输出电能。围，不同厂家生产的热电模块转换性能和耐高温能3试验设计力不尽相同，热电模块的生产厂家主要有Hi-Z、Furu⁃高温流体流过TEG装置时将热量通过肋片传递[3]kawa、Komatsu等。例如Komatsu公司的Bi2Te3热电给热电模块热端，在固定装置结构下，热端温度的大模块，在热端280℃、冷端30℃时，具有7.2%的热电小取决于流过高温气体的温度

7、与流量，因此进口气转换效率，该温差下单体模块最大功率可达24W，能体的温度和流量是影响TEG装置输出性能的重要因2[4]量密度为1W/cm。目前适用于各温度范围的常见素。为验证TEG装置的进气温度和流量对输出性热电材料如表1所示。能、热端温度等的影响，对TEG装置进行台架试验，绝缘体热层以进气流量和温度为变量，测试系统的输出性能，试验设计原理如图4所示。金属pnpnpnpn热端表面温度T1T2T3T4T5T6冷层冷却水循