汽车尾气温差发电装置通道结构的设计与分析

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汽车发动机排气余热温差发电技术的研究_涂小亮

电模块和传递热量，其结构取决于热源和冷源的种
类、热电模块的性能和冷端表面的散热方式，目前通
常有圆桶式、平板式 TEG 装置等[5]。本文结合汽车排
气系统结构特点以及系统冷却散热方式，设计一种
绝缘体
热层
金属
p np n pn pn
冷层
图 2 热电模块结构示意
表 1 不同温度范围可选择的热电材料
温度类型温度范围/℃
热电材料
低温
300
Bi2Te3及其固熔体合金
中温
300~600
PbTe、SnTe
高温
600~1000
SiGe、MnTe、SiRe2、GeS
2 温差发电装置结构
温差发电（TEG）装置的作用是在其表面安装热
本文结合汽车排气系统结构特点以及系统冷却散热方式设计一种截面为正八边形圆桶式teg装置装置结构示意如teg装置结构示意热端热交换器为圆桶式正八边形截面高温排气在通过管道内部时在翅片扰流增强换热作用下将热量传递给管道内表面再由内表面热传递给管道外表面即热端表面与此同时冷却管道外表面在内部冷却水降温作用下作为热电模块的冷端而依次平行布置在管道外表面的热电模块在冷热端的温差作用下产生电压对外负载输出电能
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）04-0022-04
Research on Thermoelectric Power Generation Technology Utilizing Automobile Engine Exhaust Heat

汽车尾气温差发电装置

汽车尾气温差发电装置吉林大学学士学位论文（设计）承诺书本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。

对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。

本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。

学士学位论文（设计）作者签名：2014年6月3日ABSTRACTBecause of the faster pace of the industrialization, the energy crisis and environment problem is being more and more serious。

To explore a new alternative energy sources or develop the energy-saving technologies efficiently has become a very important national policy in many countries. There is a large number of low grade energy in the existing energy system. According to statistics, the loss of exhaust energy is enormous. To take full advantage of this part of the exhaust gas has a very important significance on improving fuel efficiency and alleviating the energy problem.Because thermoelectric generation technology has lots of advantages,such as low noise, low wear, light weight, safe and reliable, stable performance, environment friendly, wide application, not limited by temperature and so on,it has a great potential on the aspect of using industrial gas and some other low-grade energy.Thermoelectric generation technology is adopted to solve this problem in this thesis.Thermoelectric power generation is a technique that change solar, geothermal, and other low-grade industrial waste heat energy into electrical energy by using thermoelectric materials.The main task of this paper involves as follows:(1)Based on the study of background research and development status,fully affirming the necessity and feasibility of exhaust powergeneration. And selecting the appropriate solution by comparingthe pros and cons of various ways of generating exhaust .(2)Exploring experimental device structure preliminary by study theprinciple of thermoelectric power generation,and then makecalculation of thermodynamic and power in detail,in order tomake sure to achieve the desired goals.Key words: Energy crisis. Automotive industry. Waste heat utilization.Thermoelectric power generation.目录第1章绪论 (1)1.1 背景及意义 (1)1.2 研究现状 (2)1.2.1国外研究进展 (2)1.2.2国内研究进展 (3)1.3 主要任务 (5)第2章温差发电装置概述 (7)2.1 热电转化基本原理 (8)一、塞贝克效应 (8)二、帕尔贴效应 (9)三、汤姆逊效应 (9)四、焦耳效应 (10)五、傅里叶效应 (10)2.2 温差发电数学描述 (12)2.3 温差发电的特点 (13)2.4 温差发电装置结构分析 (14)2.4.1热电转换模块 (14)2.4.2温差发电器 (15)2.4.3热电材料 (19)2.4.4热源 (22)2.4.5冷源 (23)第3章功率负荷计算 (23)3.1功率计算基本过程 (23)一、热电偶的功率计算 (23)二、热电偶的转化效率 (24)三、温差发电器的输出功率 (27)3.2 参数选取 (28)3.2.1塞贝克系数 (28)3.2.2温差发电模块导热性能指数 (29)3.2.3温差发电模块导热系数 (30)3.2.4温差发电模块其他相关参数 (31)3.2.5热流体及气箱相关参数 (32)3.2.6冷流体及水箱相关参数 (33)3.2.7冷热流体平均温差 (34)3.2.8发电模块冷热端温差 (36)3.2 功率计算 (37)第4章温差发电装置的设计 (37)4.1 温差发电模块布置 (37)4.2热端气箱 (38)4.3冷端水箱 (39)4.5夹紧装置 (41)4.6关于结构的一些注意事项 (43)一、结构材料 (43)二、机械应力 (43)三、湿气 (44)第5章总结 (45)参考文献 (47)致谢........................... 错误!未定义书签。

浅谈汽车尾气温差发电系统

车辆工程技术1车辆技术1　热力学理论（1）塞贝克效应：由两种相异导体（或半导体）构成的闭合回路，当两接点持续保持在不同温度T 1、T 2时，回路中有电流流过，此回路称热电回路，回路中出现的电流称为热电流，回路中出现的电动势称作塞贝克电动势，此现象称为塞贝克效应[1]。

如图1所示。

图1　塞贝克效应原理图（2）珀尔贴效应：1834年法国科学家珀尔帖发现了第二热电效应（珀尔帖效应）。

当直流电流过通过半导体P 型和N 型连接的一对热电偶时，在半导体P 和N 的结处发生热吸收或发热效应，这引起温差[2]。

能量在两材料的交接处以热能的形式吸收或放出[3]。

如图2所示。

图2　珀尔贴效应原理图（3）汤姆逊效应：电流通过均匀导体时，在电流方向上施加温度差这就是汤姆逊效应的原理，吸热效应的产生是由于电流方向和电流两端有温度差且流向相反所产生的。

如图3所示：图3　汤姆逊效应原理图2　汽车尾气温差发电系统组成图4　温差发电系统结构图多种系统（温差发电模块，余热发电系统，冷却系统和保护系统）组成了汽车尾气温差发电系统，如图4所示。

电动三通阀可以做到保障温差发电装置的功用，在发动机尾气温度等数值不稳定时将废气直接向大气排放，不经过温差发电模块，可以避免温度过高的废气进入温差发电模块，致使装置的温度过高而毁损热电模块[4]。

3　温差发电装置构成汽车尾气温差发电装置是将汽车在运行过程中通过尾气排出而未利用的能源进行回收利用，为汽车提供能源来节约能源为目的的一套系统。

本文所研发的温差发电装置主要包含下述几个部分：热端吸热气箱、冷端冷却系统、热电片组以及紧固结构，如图5所示，由两个吸热气箱及三个冷凝水箱互相层叠而成。

有三个冷却水箱通过四通阀连接管连接，三个冷却水箱两两之间夹着一个气箱，两个气箱通过尾气进、出口管道连接。

该管道其实就是一个三通阀，这样连接组成一个整体。

该装置工作时，汽车的尾气通过三通阀一分为二进入上下两个气箱，在两个气箱里面进行处理过后，在通过一个三通阀汇聚排除。

基于能量转换的汽车尾气余热温差发电系统设计

the transmission process，and the heat transfer of automobile exhaust residual temperature is calculated
and controlled by referring to the finite element analysis results，and the heat energy in automobile
第 28 卷
Vol.28
第 10 期
No.10
电子设计工程
Electronic Design Engineering
2020 年 5 月
May 2020
基于能量转换的汽车尾气余热温差发电系统设计
王莉
（烟台汽车工程职业学院山东烟台 265500）
摘要：为了充分利用汽车尾气余热，设计基于能量转换的汽车尾气余热温差发电系统。改装传统
如表 1 所示。
表1
换技术，回收汽车尾气并提取其内部的温度，将热能
HT6-I2-40
转换成为电能，优化设计汽车尾气余热温差发电系
统，从而提高发动机有效热效率和燃油的经济性，达
到节能减排的目的，实现可持续发展。
1 汽车尾气余热温差发电硬件系统设计
针对传统发电系统中存在的问题，分别从硬件
温差电材料选择与参数设置数据表
适用温度
热电偶尺寸/
mm
热电组件高度/
mm
热电偶数量/个
<300 OC
TEG1-1271.4-1.6
300 OC-600 OC
HT-18/4
600 OC-1 000 OC
1.35*1.35*
1.35
1.40*1.40*1.40

汽车尾气温差发电系统

汽车尾气温差发电系统Automobile exhaust thermoelectric power generation system摘要 (Abstract)：汽车尾气会以热的形式大量散失, 散失的热量在100瓦的量级。

本项目基于微电脑控制技术将汽车发动机尾气原本以余热直接排放到大气中的能量，运用半导体温差发电组件转化成电能回收利用。

并且将发电核心装置和汽车三元催化器结合。

使此装置在现有车辆上应用的可行性大幅度提高，并且弥补了三元催化器在汽车启动时催化效率低的缺陷。

发电核心模块为全固态结构，正常使用时间达10-15年。

基于开关稳压电路设计的稳压模块为车载电器提供稳定的12V电源。

发电组件在为车载电器供电还有盈余时对蓄电池充电。

并且发电组件的工作情况，发电功率等信息通过显示器显示。

同时发电组件和发动机三元催化器结合，在发动机启动时蓄电池为发电组件供电，发电组件具有制热功能可以为三元催化器加热，缩短发动机起动时三元催化器达到正常催化效率温度的时间，从而提升三元催化器在发动机启动时的催化效率。

当发动机正常工作时发电组件高温面的温度符合三元催化器正常工作温度范围。

所以两部分结合既可以提升三元催化器在发动机起动时的催化性能，又方便此系统在现有车辆上安装。

关键词（keyword）:汽车尾气发电；温差发电；三元催化器；节能减排。

1、引言（Introduction）1.1. 课题的背景和意义当前, 我们社会面临环境恶化和能源危机的威胁, 人类的可持续发展需要对绿色能源技术的发展给予更多地关注｡这使得温差发电技术越来越引人注目, 该技术是一种固态能量转换方式, 能够直接将热能转化为电能｡半导体温差发电组件无机械转动, 因而无噪声､寿命长､工作稳定可靠､轻便,且可利用各种设备的废热、余热等, 因而适用于军事、勘探和边远地区等的小功率发电和深空探测｡另外, 半导体发电模块可广泛用于小家电制造、仪器仪表、玩具及旅游业。

关于优化汽车尾气温差发电系统效率的探讨

关于优化汽车尾气温差发电系统效率的探讨近年来汽车保有量不断增加，但一直以来汽车运行过程中都存在能量利用率低的问题，特别是通过尾气带走较多的热量，导致能源大量浪费。

针对于这种情况，温差发电技术的出现有效的解决了这个问题，其通过热电转化技术，利用汽车尾气温差发电系统可以将尾气中的余热转化为电能输出，可以有效的提高能源的利用率。

温差发电系统是利用汽车尾气能量特点将尾气中的热能转化为电能，并通过储能设备为其他车载用电设备供电，实现能源的重复利用。

文中从温差发电系统概述入手，分析了温差发电器结构组成，并进一步对优化汽车尾气温差发电系统效率的措施进行了具体的阐述。

标签：汽车尾气温差发电;原理;温差发电器结构;效率1 温差发电系统概述由于温差发电是依托于赛贝克效应原理，通过将半导体热电材料一端连接在一起使其处于高温状态，另一端开路则处于低温状态，冷端形成开路电压，利用热电材料的赛贝克效应完成热能向电能的转化，其中主要是利用两种导体或是半导体材料之间所产生的电动势，而且冷热两端温度差与赛贝克电压之间呈现为正比关系。

温差发电系统主要组成为热电模块、废热通道及冷却水箱。

在汽车排气管处来安装热电模块，这样热端和冷端之间会有温差产生，利用热电模块产生电能后，并通过热电模块进行整流、限压和稳压处理后，将电能向外界进行输送。

在温差发电系统中，废热通道和热电模块作为主要组成部分，因此温差发电系统的输出功率直接受到废热通道的内部结构及热电模块的连接方式的共同影响，两者也是提高温差发电系统发电效率的关键所在。

2 温差发电器结构及运行原理温差发电器根據其结构不同可以将其分为内置式和外置式温差发电器。

这其中内置式温差发电器的应用过程中，其将集热器与发电模块与排气管内壁直接连接，通过高温尾气之间的对流来形成发电器热端，其温差的获取主要依赖于排气管内的高温热能和循环水冷，以此来完成热能向电能的转换。

外置式温差发电器分为平板式和圆筒式两种。

汽车尾气温差发电系统发电效率研究

汽车尾气温差发电系统发电效率研究内燃机作为汽车的主动力源，热利用效率始终偏低，其中由尾气带走的热量就高达40%。

温差发电是一项能直接实现热电转化的技术，而汽车尾气温差发电系统是一个直接将尾气中的余热转化为电能并输出的装置。

但是传统的温差发电系统热电转化效率只有7%-10%。

经过理论探讨与研究，文章从温差发电材料、热电模块自身性能、热电模块拓扑结构三个方面总结了温差发电系统发电效率的提升改进方案。

标签：温差发电；塞贝克效应；热电能量轉换；拓扑结构1 温差发电原理及温差发电系统简介温差发电主要利用半导体热电材料的塞贝克效应。

将两种半导体材料一端连结放置在高温端（热端），另一端开路放置在低温端（冷端），在冷端形成开路电压的现象，就是赛贝克效应。

利用这个效应直接将热能转化成电能。

在两种导体或者半导体材料中产生的电动势，被称为温差电动势。

塞贝克电压与热冷两端的温度差△T成正比，即：温差发电系统一般由热电模塊、废热通道以及冷端散热装置3部分组成[1]。

热电模块安装在排气管处，通过集热的热端与散热快的冷端形成温差[2]。

热电模块产生的电能经控制模块，整流、限压、稳压之后输送给外界。

2 关于汽车尾气温差发电系统效率提升与优化2.1 温差发电材料的性能提升1954年Goldsmid发现具高赛贝克系数和高原子量的BiTe5，1958年Brikhoklz和RoSi发现可以有效降低热导率的Bi2Te3与Sb2Te3以及Bi2Se3的合金，近些年广泛使用的各种半导体温差发电材料以及纳米结构材料也有新的进展，能通过降低晶体结构热导率，提高温差发电系统的发电效率[3]，温差发电材料性能也更加优越。

如今，温差发（热电）电材料主要有10种左右。

在钴矿等传统材料研究的基础上新的制造工艺的研究正在兴起。

人们通过在合金中掺杂不同元素，通过材料低维化（薄膜化）和梯度化等不同的制备手段对传统热电材料进行性能改造，提高优值，并取得了显著的效果。

汽车尾气温差发电系统剖析

汽车尾气温差发电系统Automobile exhaust thermoelectric power generation system摘要 (Abstract)：汽车尾气会以热的形式大量散失, 散失的热量在100瓦的量级。

本项目基于微电脑控制技术将汽车发动机尾气原本以余热直接排放到大气中的能量，运用半导体温差发电组件转化成电能回收利用。

并且将发电核心装置和汽车三元催化器结合。

使此装置在现有车辆上应用的可行性大幅度提高，并且弥补了三元催化器在汽车启动时催化效率低的缺陷。

发电核心模块为全固态结构，正常使用时间达10-15年。

基于开关稳压电路设计的稳压模块为车载电器提供稳定的12V电源。

发电组件在为车载电器供电还有盈余时对蓄电池充电。

并且发电组件的工作情况，发电功率等信息通过显示器显示。

当发动机正常工作时发电组件高温面的温度符合三元催化器正常工作温度范围。

所以两部分结合既可以提升三元催化器在发动机起动时的催化性能，又方便此系统在现有车辆上安装。

关键词（keyword）:汽车尾气发电；温差发电；三元催化器；节能减排。

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ＡｂｔａｔＴｅｍｏｌｃｒｃｗａｔｅｔｅｏｅｙｈｓｇｅｔｐａｔａｉｎｆａｃｏｉｒｖｕｏｂｌｕｌｃｎｍｙＡｎｅｓｒｃ：ｈｒｅｅｔｓｈａｃｖｒａｒａｒｃｉｌｓｇｉｃｎｅｔｉｅｒｃｉｍｐｏｅａｔｍｏｉｆｅｏｏ．ｄｔｅｅｈ
汽车尾气温差发电装置通道结构的设计与分苏析／楚奇，代宏伟，辛珍阳
ｄｉ０３６／ｉｎ１０－５０２１．２０４ｏ：．９９ｊｓ．０５２５．００．０ｌ．ｓ１
设计－研究
苏楚奇，宏伟，珍阳代辛
１武汉理工大学汽车３程学院，武汉４０７２重汽集团专用汽车公司，青岛２６３１．－３００；．６０）
ＳＣｈｕＵ —ｑｉ，ＤＡＩＨｏ－ｉＩＮｎｇｗｅＸＩＺｉｅＥｎｉｅｒｇ１Ｓｈｏｏｔｇｎｅｎ，Ｗｕａｉｅｓｙｏｅｈｏｏｙ，ｕａ３００，Ｃｉａ：ｏＡｕｖｉｈｎＵｎｖｒｉｆｃｎｌｇＷｈｎ４０７ｔＴｈｎ
燃油经济性是评价汽车性能的重要指标，受制其于发动机较低的热效率（足４％）而以热量的形式不０。
现废热温差发电，效益必是非常可观的Ｉ］国内外其ｔ。￣２多家汽车公司和科研机构业已开始这方面的研究基于模块化热电元件的汽车排气废热温差发
ｐｍｒｏｊｃｉｎｓｕｔｒｄｓｎｏｅｔｒｇｎｒｔｃａｅｔｅｏｔｕｐｗｒＴｅｉｕｎｅｏｍｎａ— ｉｒａｙｂｅｔｅｉｔｃｅｅｉｆｈｅｍｏｅｅａｒｉｔｉｒｓｈｕｔｏｅ．ｈｆｅｃｆａｙｆｖｒｕｇｔｈｏｓｏｎｅｐｎｌｃ
ＳｒｃｕｅＤｅｉｎａｔｕｔｒｓｇｎｄＡｎａｙｉｆＥｘｕｔＧａａｃａｅｌｓｓｏｈａｓｓＨｅｔＥｘｈｎｇｒｆｒＡｕｏｏｌａｔｅｔＴｈｅｍｏｅｅａｏ０ｌｔｍｂｉＷｓｅＨａｅｒｇｎｒｔｒ
摘要：气废热温差发电对于改善汽车燃油经济性具有很现实的意义，提高输出功率是温差发电装置结构设计的排而主要目标。述了包括废热通道内部结构在内的诸多设计因素对废热温差发电装置输出功率的影响，此基础上设论在计了一种改进的废热通道。并使用计算流体力学的方法和红外热成像试验，该废热通道结构进行了分析，对验证了所采用设计方法的有效性。
关键词：车尾气：差发电：汽温数值模拟；外热像红中图分类号：４３６Ｔ７Ｕ６．３；Ｎ３７文献标志码：Ａ文章编号：０５２５２１０ — ｏ５０１０ — ５０（０１）２０ｌ — ４
ｔｒ，ｉｃｕｉｇｔｅｉｔｒａｔｕｔｒｆｅｈｕｔｇｓｈａｘｈｎｅ，ｏｈｕｐｔｏｅｓｄｓｏｒｅ．Ｏｎｔｉｂｓｓａｏｓｎｌｄｎｈｎｅｎｌｒｃｕｅｏｘａｓａｅｔｅｃａｇｒｎｔｅｏｔｕｗｒｉｉｃｕｄｓｐｓｈｓａｉ，ｎｉｒｖｄｈａｘｈｎｅｓｄｓｇｅ．ｏｕａｉｎｌｆｉｙａｃｎｎｒｒｄｔｅａｍａｉｇａｅｕｅｏａａｙｅｔｅｍｐｏｅｅｔｅｃａｇｒｉｅｉｎｄＣｍｐｔｔａｕｄｄｎｍｉｓａｄｉｆａｅｈｒｌｉｇｎｒｓｄｔｎｌｚｈｏｌｍｓｒｃｕｅｏｘａｓｇｓｈａｘｈｎｅｎｅｆｈａｉｉｆｈｅｉｎｍｅｈｄｔｔｒｆｅｈｕｔａｅｔｃａｇｒａｄｖｒｙｔｅｖｌｔｏｅｄｓｇｔｏ．ｕｅｉｄｙｔＫｅｒｓｘａｓａｔｅｏｌｃｒｎｍｅｃｉｌｔｎ；ｔｅｍａｎｒｒｄｉｇｙｗｏｄ：ｅｈｕｔｓｈｒｅｅｔｃ；ｕｒａｓｍｕａｉｇｍｉｉｌｏｈｒｌｆａｅｍａｅｉ