發(fā)動(dòng)機(jī)溫差發(fā)電器系統(tǒng)性能特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的研究.pdf

1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)70％的能量以熱能的形式散發(fā)到周圍環(huán)境中，并沒有形成有效做功，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱能回收再利用的節(jié)能潛力巨大，將發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱能回收后再利用，可以有效地降低油耗、提高總能效率和減少有害物質(zhì)的排放。溫差發(fā)電是一項(xiàng)古老而又全新的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，利用熱電材料直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的特性，具有體積較小、重量輕、工作壽命長(zhǎng)、工作無噪聲、無磨損不需要維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文通過實(shí)驗(yàn)對(duì)溫差發(fā)電器(Thermoelect

2、ric Generator,TEG)進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究，探究了溫差發(fā)電器的工作原理，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，建立簡(jiǎn)單的一維模型和仿真的三維數(shù)值模型，通過模擬仿真計(jì)算深入挖掘并探索了深層工作機(jī)理，研究溫差發(fā)電器內(nèi)部傳熱過程和熱電轉(zhuǎn)換過程，并進(jìn)行參數(shù)化材料特性研究。在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，針對(duì)單一材料的溫差發(fā)電器熱電轉(zhuǎn)化效率不高的情況，研究基于分段比例的分段式TEG單元綜合設(shè)計(jì)方法。另外，還重點(diǎn)研究了排氣通道和冷卻通道結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫差發(fā)電器

3、(Engine Exhaust-based Thermoelectric Generator，ETEG)系統(tǒng)性能的影響，建立一臺(tái)六缸渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的ETEG系統(tǒng)數(shù)值仿真模型，對(duì)排氣通道、冷卻通道和ETEG系統(tǒng)進(jìn)行了耦合數(shù)值模擬計(jì)算，研究排氣通道和冷卻通道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及空冷和水冷2種冷卻形式的冷卻通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。論文主要內(nèi)容如下。
　　(1)搭建溫差發(fā)電器基本性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用實(shí)驗(yàn)方法了解溫差發(fā)電器的性能特性。研究冷卻方

4、式、冷源溫度、熱源溫度、負(fù)載電阻、電流等因素對(duì)溫差發(fā)電器性能的影響，熟悉溫差發(fā)電器和熱電材料的基本性能，為后續(xù)研究工作尋求實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐和驗(yàn)證。
　　(2)利用一維模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活性好、計(jì)算量小、計(jì)算效率高的特點(diǎn)，對(duì)溫差發(fā)電器和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣通道進(jìn)行一維計(jì)算;基于守恒方程和邊界條件創(chuàng)建后續(xù)研究所使用的基礎(chǔ)三維TEG單元模型，進(jìn)行仿真三維模擬計(jì)算。模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，了解溫差發(fā)電器的幾何結(jié)構(gòu)、排氣特征和不同邊界條件等對(duì)溫差發(fā)電

5、器性能的影響。
　　(3)現(xiàn)階段溫差發(fā)電器的主要問題是熱電轉(zhuǎn)換效率偏低，限制了溫差發(fā)電器的廣泛應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收系統(tǒng)中冷熱端存在巨大的溫度差，幾乎沒有一種材料可以在這樣大的溫度范圍內(nèi)有效工作，分段的TEG設(shè)計(jì)是解決這一問題的有效途徑。本文通過功率因子和效率因子來確定兩種不同熱電材料組成的溫差發(fā)電器的最佳溫度范圍，針對(duì)不同的設(shè)計(jì)要求和工作條件，提出分段式TEG單元的綜合設(shè)計(jì)方法，并通過三維模型的模擬計(jì)算加以驗(yàn)證，證實(shí)該方法可以作為

6、快速、準(zhǔn)確設(shè)計(jì)不同熱電材料分段式TEG單元的有效工具。
　　(4)排氣通道的溫度分布決定ETEG系統(tǒng)中TEG模塊的熱端溫度，而熱端溫度直接決定冷熱端的溫度差，進(jìn)而影響著溫差發(fā)電器性能。本文全面地研究排氣通道尺寸、排氣通道數(shù)量、導(dǎo)流片數(shù)量、導(dǎo)流片角度等排氣通道的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱量分布、熱電轉(zhuǎn)化特性和ETEG系統(tǒng)工作性能的影響。基于數(shù)值計(jì)算和研究分析的結(jié)果，對(duì)ETEG系統(tǒng)排氣通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供詳細(xì)的合理化建議。
　　(5)冷卻通