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

1、將內(nèi)燃機的余熱能回收再利用是提高總能效率、降低油耗和CO2排放的一個有效途徑。溫差發(fā)電器(Thermoelectric generator,TEG)利用了半導體熱電材料將熱能直接轉化為電能的特性，具有無機械運動、運行安靜、小型輕便和對環(huán)境無污染等優(yōu)點，在內(nèi)燃機排氣的余熱能回收利用領域具有重要的應用價值和前景。
　　本文采用了模型研究和實驗研究的方法，進行了溫差發(fā)電器的特性分析，及其基于發(fā)動機排氣余熱能回收利用的研究。從單電偶臂對的

2、分析，擴展到多個電偶臂對串聯(lián)成的溫差發(fā)電器，從穩(wěn)態(tài)模型遞進至瞬態(tài)模型，然后將模型進行橫向擴展，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，并進行了基于發(fā)動機排氣余熱能利用的溫差發(fā)電器的臺架實驗。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，對同一電偶臂對（即相同的計算域）建立了兩種三維數(shù)值模型，并指出了

3、前人文獻中相關模型的不完善之處，對溫差發(fā)電的深層現(xiàn)象進行研究，以理解熱電轉換過程。并對電偶臂的形狀進行優(yōu)化設計，采用新結構的電偶臂對，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內(nèi)部的溫度分布和電勢分布云圖。
　　(2)對于由多個電偶臂對組成的溫差發(fā)電器，通過實驗的方法，研究了冷卻方式、冷熱源溫度、裝配壓力、組合方式和負載電阻等因素對發(fā)電性能的影響，為CFD模擬和仿真計算提

4、供數(shù)據(jù)支撐和驗證。重點研究了溫差發(fā)電的瞬態(tài)行為，在溫差發(fā)電器的啟動過程中發(fā)現(xiàn)了過沖現(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，定義過沖度這一概念對其進行表述。
　　(3)將單電偶臂對的模型，擴展到多個電偶臂對串聯(lián)成的溫差發(fā)電器模型，建立了基于發(fā)動機排氣余熱能利用的溫差發(fā)電器的瞬態(tài)模型，并對求解過程中模型的時間步長和空間步長中的變化給出了介紹。對于其內(nèi)部不同區(qū)域的守恒方程和邊界條件作了細致的分析，根據(jù)溫度守恒和熱流密

5、度守恒，建立了四個界面的熱學邊界條件；給出了五種啟動模式的電學邊界條件，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，分析了啟動過程中，電偶臂內(nèi)部的溫度、電勢和熱流變化，對發(fā)電性能達到額定功率的時間進行了研究。同時，考慮了車速和環(huán)境溫度等外部因素對發(fā)電性能的影響。
　　(4)將發(fā)電器的瞬態(tài)模型進行擴展，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、歐洲和美國的典型工況，比較了溫差發(fā)電器在具體行駛工況中，對于車輛輸出功率的提升。
　　(5)進行了溫差發(fā)電器的發(fā)動機臺架實驗。以某1.5 L汽油機的排氣為熱源，以恒溫