基于热管的轴向层叠式汽车尾气温差发电装置研究

发布时间：2017-07-20 18:20

  本文关键词：基于热管的轴向层叠式汽车尾气温差发电装置研究

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【摘要】：目前我国已成为机动车保有量第二大国家。汽车燃料产生的能量40%被尾气带走,如果每台车能回收废热能量的10%,并加以合理利用,按目前我国汽车保有量和油耗计算,相当于每年可节约3500万吨原油,提高了汽车燃油的使用效率,减少了空气的污染。汽车尾气余热能量回收具有重大的应用价值和应用前景。汽车尾气温差发电是乘用车尾气余热能量回收的主要手段,汽车尾气温差发电的研究及产业化已引起世界发达国家汽车行业的高度重视。因此对汽车尾气余热能量回收装置的研究对于汽车实现节能减排具有重要实际意义和研究价值。本研究的主要目的是通过对温差发电装置结构和传热方式的改进提高取热效率和发电效率,并通过设计稳压电路实现稳定的电压输出以实现将废热转化为可利用的电能。目前实现汽车尾气温差发电产业化,存在几个关键技术问题,例如温差发电装置的热回收效率较低,体积过大和热电转换效率较低等。造成这几个问题的主要原因有以下几个方面：一是汽车尾气温度变化大、流速高、密度低,造成取热困难,热回收效率低；研究者不得不通过加大热交换器尺寸以获得更多的回收热量；二是应用于温差发电的半导体材料的热电转化效率较低,这就决定了需要数量较多的热电模块来达到所需的发电量,这也造成温差发电装置体积增大。上述原因导致了热电装置难以在实车的有限空间上布置,从而无法实现产业化。为了解决上述问题,本研究设计了一种新型的“基于热管的轴向层叠式汽车尾气温差发电装置”研究的主要工作概括如下：(1)该装置采用轴向层叠式结构,热电模块布置垂直尾气流动方向,改变了传统的热电模块平行于尾气流动方向的布置方式,该结构的最大优势在于能够在有限的空间中布置更多的热电模块,从而增大发电效率,减小了装置的体积。(2)改进了传热方式,将热管应用于温差发电装置中,利用热管的超导性,等温性等特点,解决了汽车尾气温度变化快,流速快,密度低,取热难的问题,提高了热交换效率(3)结合一汽红旗H73.0目标车型的空间布置要求,设计了圆筒形温差发电装置,并进行了建模,对温差发电装置的温度场、流场等进行了仿真分析和结构优化,确定了热盘热管的最佳布置方式及温差发电装置在目标车型中的最佳安装位置。(4)根据圆筒形的温差发电装置设计了环形热电模块。该模块并非传统的单输出形式,而是将热电模块分为四个小模块,每个小模块都具有独立的输出,具有多个独立输山的环形热电模块使得连接方式更具有灵活性,并且通过合理的选择连接方式能够在一定程度上抑制电源并联所造成的互充现象。(5)设计了H桥升压降压转换器,解决了汽车在不同的工况下,尾气排放量、排放速度和温度发生变化时所导致的热电装置输出电压不稳定问题,经过H桥升压降压转换器处理的电压可直接为车载电器供电或给电池充电。(6)在结构设计及仿真计算的基础上,制作了“基于热管的轴向层叠式汽车尾气温差发电装置”的小型实验样件,在与模拟计算相近似的条件下进行了汽车尾气温差发电装置的性能实验,并与国内外其他结构的温差发电装置的性能进行了对比。通过研究表明,本文提出的“基于热管的轴向层叠式汽车尾气温差发电装置”结构合理,体积小,发电量大,热电转换效率高,通用性好,可应用于汽油机和柴油机等热机,并可设计成不同的形状,以满足不同车型的结构和空间尺寸要求。
【关键词】：温差发电 热管 轴向层叠式结构 环形热电模块 H桥转换器
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM913;U463.6
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第1章 绪论16-30
• 1.1 研究背景和意义16-18
• 1.2 国内外温差发电研究现状18-27
• 1.2.1 国外温差发电研究现状18-23
• 1.2.2 国内温差发电研究现状23-26
• 1.2.3 汽车尾气温差发电关键技术26-27
• 1.3 研究的来源27
• 1.4 主要研究内容27-29
• 1.5 本章小结29-30
• 第2章 影响热电转换效率的因素分析30-49
• 2.1 热电技术的三种基本效应30-33
• 2.1.1 赛贝克效应30-31
• 2.1.2 珀耳帖效应31-32
• 2.1.3 汤姆逊效应32-33
• 2.1.4 三种效应的相互关系33
• 2.2 热电材料33-36
• 2.2.1 半导体热电材料33-35
• 2.2.2 热电材料的优值系数35-36
• 2.3 影响温差发电装置热电效率的因素分析36-38
• 2.4 热电模块研究38-41
• 2.5 热交换器的研究41-48
• 2.5.1 热交换器的拓扑结构研究41-45
• 2.5.2 热交换器导热方式研究45-48
• 2.6 本章小结48-49
• 第3章 基于热管的轴向层叠式汽车尾气温差发电装置的设计49-65
• 3.1 目标车型及设计要求49-51
• 3.2 温差发电装置设计51-60
• 3.2.1 温差发电装置结构51-54
• 3.2.2 工作原理54
• 3.2.3 主要元件设计及选择54-60
• 3.3 温差发电装置换热能力计算60-64
• 3.3.1 热盘换热能力计算60-62
• 3.3.2 冷盘换热能力计算62-64
• 3.4 本章小结64-65
• 第4章 基于热管的轴向层叠式汽车尾气温差发电装置仿真分析65-76
• 4.1 仿真分析方法65-70
• 4.1.1 模型和假设65-68
• 4.1.2 边界条件68-69
• 4.1.3 建模及网格划分69-70
• 4.2 尾气速度矢量仿真分析70
• 4.3 冷盘和热盘温度仿真分析70
• 4.4 高温热管排布方式仿真分析70-72
• 4.5 温差发电装置安装位置的仿真分析72-75
• 4.6 本章小结75-76
• 第5章 基于热管的轴向层叠式汽车尾气温差发电装置环形热电模块研究76-92
• 5.1 温差发电模块建模76-81
• 5.2 基于HZ-20热电模块仿真验证81-83
• 5.3 环形热电模块设计83-86
• 5.3.1 热电偶尺寸83-85
• 5.3.2 热电模块排布方式85-86
• 5.4 环形热电模块的连接方法86-91
• 5.5 本章小结91-92
• 第6章 基于热管的轴向层叠式汽车尾气温差发电装置电路设计92-116
• 6.1 DC-DC转换器基本原理92-93
• 6.2 基本DC-DC电压转换器介绍93-99
• 6.2.1 基本降压转换器93-94
• 6.2.2 基本升压转换器94-95
• 6.2.3 反向降压-升压转换器95-96
• 6.2.4 非反向降压-升压转换器96
• 6.2.5 Cuk转换器96-97
• 6.2.6 SEPIC转换器97-98
• 6.2.7 H桥转换器98-99
• 6.3 基于48V电压输出的H桥DC-DC转换器设计99-107
• 6.3.1 H桥DC-DC转换器的传递方程99-100
• 6.3.2 稳态分析100-101
• 6.3.3 H桥转换器设计101-102
• 6.3.4 PWM信号传输和保护电路102-107
• 6.4 H桥转换器仿真实验107-115
• 6.4.1 Multisim仿真软件介绍107
• 6.4.2 控制逻辑和控制信号107-108
• 6.4.3 H桥电路电感和电容的选择108-114
• 6.4.4 H桥电路升压转换和降压转换实验114-115
• 6.5 本章小结115-116
• 第7章 基于热管的轴向层叠式汽车尾气温差发电装置台架实验116-132
• 7.1 温差发电装置实验模型116-120
• 7.1.1 结构设计116-118
• 7.1.2 电路设计118-120
• 7.2 温差发电装置实验台架120-121
• 7.2.1 气路120-121
• 7.2.2 水路121
• 7.2.3 电路121
• 7.3 温差发电装置实验121-125
• 7.3.1 实验准备121-122
• 7.3.2 实验方法122-124
• 7.3.3 实验结果124-125
• 7.4 温差发电装置实验结果分析125-131
• 7.4.1 部件之间的接触热阻125-126
• 7.4.2 装配误差126
• 7.4.3 热电模块参数标定误差126-128
• 7.4.4 冷、热盘温差对热电效率的影响128-129
• 7.4.5 各汽车厂家汽车尾气温差发电装置效率比较129-131
• 7.5 本章小结131-132
• 第8章 结论与展望132-134
• 8.1 结论132
• 8.2 研究展望132-134
• 参考文献134-142
• 作者简介及在攻读学位期间的主要研究成果142-144
• 致谢144-145
• 附录145-151

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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5 ;2013全球碳排放量数据公布 中国人均首超欧洲[J];中国对外贸易;2014年11期

6 本刊编辑部;;植物成型封存储碳技术降低二氧化碳排放[J];中国能源;2013年08期

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1 赵青义;基于TEG的热能发电关键技术研究[D];长春理工大学;2010年

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本文编号：569390