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CN108049947B - 一种多通道尾气热量分流控制的温差发电装置及控制方法 - Google Patents

一种多通道尾气热量分流控制的温差发电装置及控制方法 Download PDF

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CN108049947B CN201711190934.6A CN201711190934A CN108049947B CN 108049947 B CN108049947 B CN 108049947B CN 201711190934 A CN201711190934 A CN 201711190934A CN 108049947 B CN108049947 B CN 108049947B
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Jiangsu University
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Abstract

本发明一种多通道尾气热量分流控制的温差发电装置及控制方法，该温差发电装置主要包括集热模块、温差发电模块、电控模块、散热模块、DC‑DC转换电路模块、蓄电池；其中，电控模块通过接收热端温度信号，考虑每一个温差发电片的热端温度限值，通过对电机的控制来改变电控阀门的开度，从而实现对尾气的分流；集热模块的左右侧内表面通过电控阀门对尾气导流的作用，吸收高温尾气热量；温差发电模块利用温差发电单元的两端(集热模块的左右侧内表面吸收尾气热量形成的热端，散热模块对温差发电差单元进行散热所形成的冷端)产生的温差电动势来发电，通过DC‑DC转换装置对不稳定的输出电压进行整流并将其存储到蓄电池中。

Description

一种多通道尾气热量分流控制的温差发电装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种多通道尾气热量分流控制的温差发电装置，属于汽车尾气能量回收利用技术领域。
背景技术
随着汽车工业的快速发展，汽车消耗的能源和废气排放也与日俱增。目前，汽车实际用于驱动的能量仅能达到总能量的25-30％左右，燃油中有多达70％左右的能量没有得到有效利用，其中发动机排气所带走的热量占燃料燃烧热量的40％左右，冷却系统带走的热量占30％左右，这些能量绝大部分以余热的形式散失到空气中，造成了巨大的能源浪费和严重的环境污染。
温差发电技术是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种发电技术，温差发电装置安装在汽车排气系统的三元催化器与消音器之间。其原理是将由热电材料制成的热电模块布置在连接发动机排气管的废气通道集热模块和冷却模块之间，当排气管产生尾气时，在发电片的两端形成热源和冷源，利用温差电动势产生电能，温差发电装置通过回收利用废热产生的电能可供汽车蓄电池充电从而提供汽车额外的电能。按照我国汽车每年燃油消耗量约1.4亿吨计算，假设汽车尾气温差发电装置的回收效率达到5％，每年就可节约700万吨左右燃油。因此，发展汽车尾气温差发电技术可提高汽车的燃料利用率，减少汽车尾气排放，改善整车综合性能，因此具有很好的工程应用价值。现有的研究多集中在对温差发电器集热箱尺寸结构的优化，但这种机械结构的优化对温差发电器发电效能的提升非常有限。因此，结合热电模块本身的特性，转换思路，实现尾气分流控制对于进一步提高温差发电器发电效能有重要意义。
目前，专利号为CN201420869659.6提出了一种二级转换的串联式汽车尾气温差发电装置，该装置采用两个集热装置串联形成的集热系统对高温尾气热量进行吸收，虽然能够增加热量的转换利用率，但是实际排气管处可利用的空间较小，该装置结构布置较困难。专利号为CN205260106U的发明专利，提出的集热装置只是对尾气进行分流而没有考虑温差发电装置热端可承受的最大温度限值。目前关于集热器内废气流量精确控制研究甚少，一旦温差发电装置热端的温度超过其可承受的最大温度限值时，可能会导致装置的损坏，所以对温差发电装置中废气流量的控制相当重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种多通道尾气热量分流控制的温差发电装置，通过采用多通道式集热模块，可以有效地对尾气进行分流控制，大大降低集热模块安装在排气管上需要的的空间；考虑每一个温差发电片的热端温度限值，大大地提高了针对热端温度限值而制定的温差发电分流控制策略的高效性。
本发明一种多通道尾气热量分流控制的温差发电装置的技术方案是：一种多通道尾气热量分流控制的温差发电装置，包括集热模块、温差发电模块、电控模块(10)、散热模块 (4)；集热模块为长方体结构，长方体的前后端分别固定连接有梯形台的底面，梯形台的顶面分别连接排气管(1)；集热模块内部包括主进气通道(7-1)、辅助进气通道(7-2)以及安全保护通道(7-3)，其中主进气通道(7-1)和辅助进气通道(7-2)是关于安全保护通道(7-3)对称，集热模块内部前端设有电控阀门和固定阀门，集热模块的两侧包括主集热模块(2-1)和辅助集热模块(2-2)，温差发电模块包括主温差发电模块(3-1)和辅助温差发电模块(3-2)；主温差发电模块(3-1)的热端贴合在主集热模块(2-1)外壁面，辅助温差发电模块(3-2)的热端贴合在辅助集热模块(2-2)外壁面，温差发电模块冷端贴合两侧的散热模块(4)；电控模块(10)一方面接收贴合在温差发电模块热端的温度传感器(9)发出的温度信号，另一方面电控模块(10)通过连接电机(8)实现对电控阀门控制，从而改变尾气流经集热模块中不同进气通道的尾气流量。
进一步，主温差发电模块(3-1)和辅助温差发电模块(3-2)以并联的方式连接，每组温差发电模块包括五个温差发电片(11)，并以串联的方式连接。
进一步，电控阀门包括主电控阀门(5-1)和辅助电控阀门(5-2)，固定阀门包括主固定阀门(6-1)和辅助固定阀门(6-2)；流经主进气通道(7-1)的尾气通过主电控阀门(5-1)实现控制，流经辅进气通道(7-2)的尾气通过辅助电控阀门(5-2)实现控制；电控阀门通过联杆(14)与电机(8)进行连接，电机(8)通过施加在联杆(14)上的扭矩对电控阀门的角度进行控制。
进一步，主温差发电模块(3-1)中的温差发电片(11)按照与排气管(1)进口端的距离从小到大依次对应的序列号为A，B，C，D，E；辅助温差发电模块(3-2)中的温差发电片(11)按照与排气管(1)进口端的距离从小到大依次对应的序列号为F，G，H，I，J；主固定阀门(6-1)、辅助固定阀门(6-2)平面与序列A、F号温差发电片(11)离进气口最近的边相切，当控制主电控阀门(5-1)时，需要保证主电控阀门(5-1)所在平面依次与序列A，B，C，D，E号温差发电片(11)离进气口最远的边相切，当控制辅助电控阀门 (5-2)时，需要保证辅助电控阀门(5-2)所在平面依次与序列F，G，H，I，J号温差发电片(11)离进气口最远的边相切。
进一步，电控模块(10)的输入端连接贴合在每个温差发电片(11)热端的温度传感器(9)信号线，电控模块(10)的输出端连接电控阀门。
进一步，还包括DC-DC转换电路模块(12)对不稳定的输出电压进行整流并将其存储到蓄电池(13)中去。
本发明的控制方法包括如下工作步骤：
步骤1：针对某一特定工况，优先对序列A号温差发电片(11)进行传热，此时主电控阀门(5-1)平面与序列A号温差发电片(11)离进气口最远的边相切；待序列A号温差发电片(11)热端温度达到温差发电材料热端温度最大值时，控制主电控阀门(5-1)平面与序列B号温差发电片(11)离进气口最远的边相切，待序列B号温差发电片(11)热端温度达到温差发电材料热端温度最大值时，再次控制主电控阀门(5-1)，直至主电控阀门 (5-1)平面与序列E号温差发电片(11)离进气口最远的边相切，在此期间辅助电控阀门 (5-2)平面与序列F号温差发电片(11)离进气口最近的边相切；
步骤2：当主电控阀门(5-1)平面与序列E号温差发电片(11)离进气口最远的边相切时，此时辅助电控阀门(5-2)平面与序列F号温差发电片(11)离进气口最远的边相切；待序列F号温差发电片(11)热端温度达到温差发电材料热端温度最大值时，控制辅助电控阀门(5-2)平面与序列G号温差发电片(11)离进气口最远的边相切，待序列G号温差发电片(11)热端温度达到温差发电材料热端温度最大值时，再次控制辅助电控阀门(5-2)，直至辅助电控阀门(5-2)平面与序列J号温差发电片(11)离进气口最远的边相切，在此期间主电控阀门(5-1)平面与序列E号温差发电片(11)离进气口最远端的边相切；
步骤3：待主电控阀门(5-1)、辅助电控阀门(5-2)平面与温差发电片(11)离进气口最远的边均相切时，保护系统阀门(5-3)逐渐打开，两侧温差发电片(11)热端温度均保持在温差发电材料热端温度最大值附近，此时主电控阀门(5-1)、辅助电控阀门(5-2) 开度保持不变；
步骤4：保护系统阀门(5-3)开度达到90°时，保护系统开始工作，此时保护系统阀门(5-3)开度为90°保持不变，主电控阀门(5-1)、辅助电控阀门(5-2)平面分别与序列A、F号温差发电片(11)离进气口最近的边均相切。
本发明具有以下技术效果：
本发明通过电控模块接收热端温度信号，考虑每一个温差发电片的热端温度限值，通过对电机的控制来改变电控阀门的开度，从而实现对尾气的分流，提高尾气热量的利用效果；集热模块的左右侧内表面通过电控阀门对尾气导流的作用，吸收高温尾气热量；温差发电模块利用温差发电单元的两端(集热模块的左右侧内表面吸收尾气热量形成的热端，散热模块对温差发电差单元进行散热所形成的冷端)产生的温差电动势来发电，通过DC-DC 转换装置对不稳定的输出电压进行整流并将其存储到蓄电池中。
附图说明
附图1是多通道尾气热量分流控制的温差发电装置整体结构示意图；
附图2是阀体部分剖视图；
附图3是电子控制原理图；
附图4是温差发电蓄电原理图；
图中：1-排气管，2-1-主集热模块，2-2-辅助集热模块，3-1-主温差发电模块，3-2-辅助温差发电模块，4-散热模块，5-1-主电控阀门，5-2-辅助电控阀门，5-3-保护系统阀门，6-1-主固定阀门，6-2-辅助固定阀门，7-1-主进气通道，7-2-辅助进气通道，7-3 -安全保护通道，8-电机，9-温度传感器，10-电控模块，11-温差发电片，12-DC-DC 转换电路模块，13-蓄电池，14-联杆。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种多通道尾气热量分流控制的温差发电装置的技术方案是：该装置包括集热模块、温差发电模块、电控模块10，散热模块4，DC-DC转换电路模块12和蓄电池13。
集热模块包括主集热模块2-1和辅助集热模块2-2，温差发电模块包括主温差发电模块3-1和辅助温差发电模块3-2；温差发电模块的热端贴合在集热模块的左右侧外壁面，温差发电模块冷端贴合在散热模块4的底部；
电控模块10通过接收贴合在每个温差发电片11热端的温度传感器9温度信号，参考既定好的分流控制策略，通过电机8实现对电控阀门的控制，从而改变尾气流经集热模块中不同进气通道的流量；
该集热模块中不同进气通道的流量包括主进气通道7-1、辅助进气通道7-2以及安全保护通道7-3，其中主进气通道7-1和辅助进气通道7-2关于安全保护通道7-3对称；主温差发电模块3-1和辅助温差发电模块3-2分别安装在主集热模块2-1、辅助集热模块2-2 左右两侧的外壁面并以并联的方式连接，每组温差发电模块包括五个温差发电片11，并以串联的方式连接；
电控阀门包括主电控阀门5-1和辅助电控阀门5-2，固定阀门包括主固定阀门6-1和辅助固定阀门6-2；流经主进气通道7-1的尾气通过主电控阀门5-1实现控制，流经辅进气通道7-2的尾气通过辅助电控阀门5-2实现控制；电控模块10的输入端连接贴合在每个温差发电片11热端的温度传感器9信号线，电控模块10的输出端连接电控阀门；电控阀门通过联杆14与电机8进行连接，电机8通过施加在联杆14上的扭矩对电控阀门的角度进行控制；DC-DC转换电路模块12对不稳定的输出电压进行整流并将其存储到蓄电池13中 (如图3所示)。
如图2所示，主温差发电模块3-1中的温差发电片11按与排气管1进口端的距离从小到大依次对应的序列号为A，B，C，D，E；辅助温差发电模块3-2中的温差发电片11按与排气管1进口端的距离从小到大依次对应的序列号为F，G，H，I，J；主固定阀门6-1、辅助固定阀门6-2平面与序列A、F号温差发电片11离进气口最近的边相切，当控制主电控阀门5-1时，需要保证主电控阀门5-1所在平面依次与序列A，B，C，D，E号温差发电片 11离进气口最远的边相切，当控制辅助电控阀门5-2时，需要保证辅助电控阀门5-2所在平面依次与序列F，G，H，I，J号温差发电片11离进气口最远的边相切。附图4是温差发电蓄电原理图。
本发明的一种多通道尾气热量分流控制的温差发电装置分流控制策略包括如下步骤：
步骤1：针对某一特定工况，优先对序列A号温差发电片11进行传热，此时主电控阀门5-1平面与序列A号温差发电片11离进气口最远的边相切；待序列A号温差发电片11 热端温度达到温差发电材料热端温度最大值时，控制主电控阀门5-1平面与序列B号温差发电片11离进气口最远的边相切，待序列B号温差发电片11热端温度达到温差发电材料热端温度最大值时，再次控制主电控阀门5-1，直至主电控阀门5-1平面与序列E号温差发电片11离进气口最远的边相切，在此期间辅助电控阀门5-2平面与序列F号温差发电片 11离进气口最近的边相切；
步骤2：当主电控阀门5-1平面与序列E号温差发电片11离进气口最远的边相切时，此时辅助电控阀门5-2平面与序列F号温差发电片11离进气口最远的边相切；待序列F 号温差发电片11热端温度达到温差发电材料热端温度最大值时，控制辅助电控阀门5-2平面与序列G号温差发电片11离进气口最远的边相切，待序列G号温差发电片11热端温度达到温差发电材料热端温度最大值时，再次控制辅助电控阀门5-2，直至辅助电控阀门5-2 平面与序列J号温差发电片11离进气口最远的边相切，在此期间主电控阀门5-1平面与序列E号温差发电片11离进气口最远端的边相切；
步骤3：待主电控阀门5-1、辅助电控阀门5-2平面与温差发电片11离进气口最远的边均相切时，保护系统阀门5-3逐渐打开，两侧温差发电片11热端温度均保持在温差发电材料热端温度最大值附近，此时主电控阀门5-1、辅助电控阀门5-2开度保持不变；
步骤4：保护系统阀门5-3开度达到90°时，保护系统开始工作，此时保护系统阀门5-3开度为90°保持不变，主电控阀门5-1、辅助电控阀门5-2平面分别与序列A、F号温差发电片11离进气口最近的边均相切。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种多通道尾气热量分流控制的温差发电装置，其特征在于，包括集热模块、温差发电模块、电控模块(10)、散热模块(4)；集热模块为长方体结构，长方体的前后端分别固定连接有梯形台的底面，梯形台的顶面分别连接排气管(1)；集热模块内部包括主进气通道(7-1)、辅助进气通道(7-2)以及安全保护通道(7-3)，其中主进气通道(7-1)和辅助进气通道(7-2)是关于安全保护通道(7-3)对称，集热模块内部前端设有电控阀门和固定阀门，集热模块的两侧包括主集热模块(2-1)和辅助集热模块(2-2)，温差发电模块包括主温差发电模块(3-1)和辅助温差发电模块(3-2)；主温差发电模块(3-1)的热端贴合在主集热模块(2-1)外壁面，辅助温差发电模块(3-2)的热端贴合在辅助集热模块(2-2)外壁面，温差发电模块冷端贴合两侧的散热模块(4)；电控模块(10)一方面接收贴合在温差发电模块热端的温度传感器(9)发出的温度信号，另一方面电控模块(10)通过连接电机(8)实现对电控阀门控制，从而改变尾气流经集热模块中不同进气通道的尾气流量；
电控阀门包括主电控阀门(5-1)和辅助电控阀门(5-2)，固定阀门包括主固定阀门(6-1)和辅助固定阀门(6-2)；流经主进气通道(7-1)的尾气通过主电控阀门(5-1)实现控制，流经辅助 进气通道(7-2)的尾气通过辅助电控阀门(5-2)实现控制；电控阀门通过联杆(14)与电机(8)进行连接，电机(8)通过施加在联杆(14)上的扭矩对电控阀门的角度进行控制；
主温差发电模块(3-1)中的温差发电片(11)按照与排气管(1)进口端的距离从小到大依次对应的序列号为A，B，C，D，E；辅助温差发电模块(3-2)中的温差发电片(11)按照与排气管(1)进口端的距离从小到大依次对应的序列号为F，G，H，I，J；主固定阀门(6-1)、辅助固定阀门(6-2)平面与序列A、F号温差发电片(11)离进气口最近的边相切，当控制主电控阀门(5-1)时，需要保证主电控阀门(5-1)所在平面依次与序列A，B，C，D，E号温差发电片(11)离进气口最远的边相切，当控制辅助电控阀门(5-2)时，需要保证辅助电控阀门(5-2)所在平面依次与序列F，G，H，I，J号温差发电片(11)离进气口最远的边相切；
主温差发电模块(3-1)和辅助温差发电模块(3-2)以并联的方式连接，每组温差发电模块包括五个温差发电片(11)，并以串联的方式连接。
2.根据权利要求1所述的多通道尾气热量分流控制的温差发电装置，其特征是：电控模块(10)的输入端连接贴合在每个温差发电片(11)热端的温度传感器(9)信号线，电控模块(10)的输出端连接电控阀门。
3.根据权利要求1所述的多通道尾气热量分流控制的温差发电装置，其特征是：还包括DC-DC转换电路模块(12)对不稳定的输出电压进行整流并将其存储到蓄电池(13)中去。
4.一种多通道尾气热量分流控制的温差发电装置控制方法，其特征是：分流控制策略，包括如下工作步骤：
步骤1：针对某一特定工况，优先对序列A号温差发电片(11)进行传热，此时主电控阀门(5-1)平面与序列A号温差发电片(11)离进气口最远的边相切；待序列A号温差发电片(11)热端温度达到温差发电材料热端温度最大值时，控制主电控阀门(5-1)平面与序列B号温差发电片(11)离进气口最远的边相切，待序列B号温差发电片(11)热端温度达到温差发电材料热端温度最大值时，再次控制主电控阀门(5-1)，直至主电控阀门(5-1)平面与序列E号温差发电片(11)离进气口最远的边相切，在此期间辅助电控阀门(5-2)平面与序列F号温差发电片(11)离进气口最近的边相切；
步骤2：当主电控阀门(5-1)平面与序列E号温差发电片(11)离进气口最远的边相切时，此时辅助电控阀门(5-2)平面与序列F号温差发电片(11)离进气口最远的边相切；待序列F号温差发电片(11)热端温度达到温差发电材料热端温度最大值时，控制辅助电控阀门(5-2)平面与序列G号温差发电片(11)离进气口最远的边相切，待序列G号温差发电片(11)热端温度达到温差发电材料热端温度最大值时，再次控制辅助电控阀门(5-2)，直至辅助电控阀门(5-2)平面与序列J号温差发电片(11)离进气口最远的边相切，在此期间主电控阀门(5-1)平面与序列E号温差发电片(11)离进气口最远端的边相切；
步骤3：待主电控阀门(5-1)、辅助电控阀门(5-2)平面与温差发电片(11)离进气口最远的边均相切时，保护系统阀门(5-3)逐渐打开，两侧温差发电片(11)热端温度均保持在温差发电材料热端温度最大值附近，此时主电控阀门(5-1)、辅助电控阀门(5-2)开度保持不变；
步骤4：保护系统阀门(5-3)开度达到90°时，保护系统开始工作，此时保护系统阀门(5-3)开度为90°保持不变，主电控阀门(5-1)、辅助电控阀门(5-2)平面分别与序列A、F号温差发电片(11)离进气口最近的边均相切。
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