CN108347199B - 一种平板式温差发电器及其热电发电组件分区布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平板式温差发电器及其热电发电组件分区布置方法。平板式温差发电器包括端盖、附着集热翅片的集热端面板、隔热板、温差发电组件、水冷头和导冷块压紧机构。平板式温差发电器热电发电组件分区布置方法主要包括：首先根据平板式温差发电器的结构参数计算总换热量，再根据具体尺寸进行分区，计算每个区域的对流换热量，得到内壁面温度分布，从而可计算得到外表面温度分布，据此分区布置不同工作区间的热电发电组件。本发明回收汽车尾气余热进行发电，根据具体的使用情况分区布置热电发电组件，提高了热电转换效率，有效降低了成本。

Description

一种平板式温差发电器及其热电发电组件分区布置方法

技术领域

本发明属于温差发电领域，是一种新型平板式温差发电器以及其热电发电组件的分区布置方法。

背景技术

温差发电器是利用半导体材料的塞贝克效应，直接将热能转化为电能的装置，该装置具有结构紧凑、绿色环保、运行时无噪声、使用寿命长等优点。目前，汽车的保有量越来越大，汽车排出的废热也越来越多，这是一种资源的浪费。温差发电器可以减少这种资源的浪费，同时产生的电能可以供给汽车电子件的消耗，增加燃油经济性。但是现有的温差发电器结构复杂，加工难度高，结构工艺性差，因此设计出一种可靠性高，便于大规模实现的平板式温差发电器很有意义。同时，现有的温差发电器使用相同规格的热电发电组件，同一种半导体材料制成的温差发电模块，其工作区间相同，然而集热箱热端温度分布不均匀，温差发电模块无法同时以较高热电转化效率工作，甚至会因为其热端温度在工作许可区间之外而失效。目前，针对基于热端表面温度分布的热电发电组件分区布置方法的研究较少。

发明内容

本发明为了解决现有用于汽车尾气废热回收的温差发电器的不足，提出了一种可靠性好、便于大规模实现的平板式温差发电器，安装在汽车三元催化器与消声器之间，同时提出了一种基于热端表面温度分布的热电发电组件分区布置方法，提高了温差发电器的热电转化效率，减少了温差发电器的生产成本，便于温差发电器的推广。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种平板式温差发电器，包括集热端面板、隔热板和端盖，所述集热端面板、所述隔热板和所述端盖构成一个密闭的集热箱，所述集热端面板的一侧端面上分布有集热翅片，所述集热翅片位于所述集热箱内；所述集热端面板的另外一侧端面上安装有若干块温差发电组件，每块所述温差发电组件的上方固定安装有水冷头。

上述方案中，每块所述温差发电组件之间用隔热粘片分离定位，确保每块温差发电组件之间互不干扰。

上述方案中，所述集热端面板、所述隔热板和所述端盖的数量均为两块，其中两块集热端面板构成集热箱的上下两个端面，两块隔热板构成集热箱的左右两个侧面，两个端盖分别构成集热箱的进口和出口。

上述方案中，所述集热端面板和所述隔热板之间通过第一钢压紧条和第一刚压条螺栓固定在一起，所述集热端面板、所述温差发电组件、所述水冷头之间通过第二钢压紧条和第二刚压条螺栓固定在一起。

上述方案中，所述第一钢压紧条两侧设置的第一刚压条螺栓孔之间的距离与所述集热箱的宽度保持一致，确保隔热板与集热端面板的紧密贴合。

本发明还提供了一种平板式温差发电器的热电发电组件分区布置方法，包括如下步骤：

第一步，确定温差发电器整体尺寸、预期参数，以及所用温差发电片尺寸：

(1)集热端面板长a₁、宽b₁、厚度c₁；

(2)温差发电片长a₂、宽b₂；

(3)隔热板长a₁、宽b₃、厚度c₃；

(4)温差发电器预期功率P；

第二步，基于已提出新型平板式温差发电器的整体尺寸，在每个集热端面板上基于中线对称预布置两行温差发电片。当车辆废气通过平板式温差发电器的时候，同一列对称的两片温差发电片的热端温度总是一致的。在温差发电器的集热箱中，以同一行每两个温差发电片之间的中线为分区的界限，从集热箱的废气入口处开始以每列温差发电片的位置进行分区，记为u₁、u₂、……、u_n，n为所分区域的数量，

区域的长度L由具体设计的新型平板式温差发电器集热翅片长度a₁和所分区域的数量n决定:

第三步，确定匹配的发动机参数，实验得到发动机在低载低负荷、高载高负荷、中载城市工况、中载高速工况四种工况下的温差发电器入口温度T_1i，测量得到四种工况下的平板式温差发电器出口温度T_2i，i＝1,2,3,4分别表示低载低负荷、高载高负荷、中载城市工况、中载高速工况四种工况；

确定四种工况下尾气流经区域u₁、u₂、……、u_n时的物理属性和所处区域的几何参数：

(1)尾气的物质属性为：密度ρ_i、导热系数λ_i、比热容c_pi，入口处的气体参数为：质量流量

(2)计算流经集热箱的尾气总质量m_i

A＝(b₁-2c₃)×b₃

式中，表示体积流量，V_i表示流经集热箱的尾气体积，A表示截面面积；

(3)假设尾气流经集热箱的速度不变，则流经集热箱各个区域的尾气质量m_ti：

所述m^t1表示低载低负荷工况下流经集热箱各个区域的尾气质量。

第四步，计算四种工况下的平板式温差发电器废气流体消耗的总热量Q_总i：

Q_总i＝c_pim_i△T_总i

△T_总i＝T_1i-T_2i

所述Q_总1表示低载低负荷工况下平板式温差发电器废气流体消耗的总热量。

第五步，假设每段区域废气流体消耗的热量相等，则四种工况下每段区域废气流体消耗的热量Q_ti：

所述Q_t1表示低载低负荷工况下平板式温差发电器每个区域废气流体消耗的热量。

第六步，计算四种工况下区域u₁与u₂之间截面的温度T_p1i：

Q_ti＝c_pim_ti△T_t1i

△T_t1i＝T_p1i-T_1i

再依次计算得到各区域之间截面的温度T_p1i、T_p2i、……、T_p(n-1)i，所述T_p11表示低载低负荷工况下第1区域与第2区域之间截面的温度，所述T_p(n-1)4表示中载高速工况下第n-1区域与第n区域之间截面的温度。

第七步，计算四种工况下各区域的内壁面温度：

各区域的对流换热量与废气消耗的热量相等，根据如下传热学公式确定各区域的内壁面温度T_b1i、T_b2i、……、T_bni：

C＝2×(b₁+b₃)

Nu_ni＝0.023Re_ni ^0.8Pr_ni ^m

其中，D_h表示水力直径，C表示横截面的周长，μ_ni表示动力粘度，μ₀＝1.7894×10^-5表示15℃时的粘度，T_rni表示各区域的平均废气温度，B为常数，Re_ni表示雷诺数，v_i表示废气流经集热箱的流速，Pr_ni表示普朗特数，Nu_ni表示努塞尔数，m＝0.3为常数，h_ni表示废气与内壁面之间的对流换热系数。

计算区域u₁中的内壁面温度T_b1i：

Q_t1＝h_1iA'₁△T_n1i

其中A'_n表示各区域壁面、翅片与流体的接触面积；

区域u₁中的△T_n1i为：

△T_n1i＝T_b1i-T_r1i

依次计算得到各区域的内壁面温度T_b1i、T_b2i、……、T_bni，所述T_b11表示低载低负荷工况下第1区域的内壁面温度，所述T_bn4表示中载高速工况下第n区域的内壁面温度；

第八步，计算各区域外壁面温度T_w1i、T_w2i、……、T_wni：

气箱壁面长和宽各均超过厚度的十倍，其平壁两侧温度均勾、稳定，“边效应”已减小到可作“大平壁”处理，各区域的内外壁面传热量与废气消耗的热量相等；

△T_wni＝T_bni-T_wni

其中，λ_a为壁面材料的导热系数，A"_n为各区域内外壁面的导热面积；

所述T_w11表示低载低负荷工况下第1区域的外壁面温度，所述T_wn4表示中载高速工况下第n区域的外壁面温度；

第九步，依据四个工况下每个分区的外壁面温度值得到每个分区的外壁面温度范围，据此温度范围选择该范围下热电转化效率最高的温差发电组件，匹配布置到各个区间中。

本发明的有益效果：该布置方法能够在提高热电转化效率的同时防止温差发电模块失效破坏。

附图说明

图1是平板式温差发电器的三维结构图。

图2是去掉一个端盖和导冷块压紧机构的平板式温差发电器的俯视图。

图3是去掉导冷块压紧机构的平板式温差发电器的左视图。

图4是平板式温差发电器热电发电组件的布置图。

图5是隔热板的主视图。

图6是去掉集热翅片的集热箱的左视图。

图7是平板式温差发电器热电发电组件的分区布置方法的流程图。

图8是平板式温差发电器四种工况下各个区域的对流换热系数折线图。

图9是平板式温差发电器四种工况下各个区域的外壁面温度折线图。

图10是平板式温差发电器热电发电组件的分区布置方法的示意图。

图中，其中，1-端盖，2-温差发电组件，3-附着集热翅片的集热端面，4-水冷头，5-第二钢压紧条，6-第二刚压条螺栓，7-第一钢压紧条，8-第一刚压条螺栓，9-隔热板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本实施例提供的平板式温差发电器，包括集热端面板3、隔热板9和端盖1，所述集热端面板3、所述隔热板9和所述端盖1构成一个密闭的集热箱，所述集热端面板3、所述隔热板9和所述端盖1的数量均为两块，其中两块集热端面板构成集热箱的上下两个端面，两块隔热板构成集热箱的左右两个侧面，两个端盖1分别构成集热箱的进口和出口。所述集热端面板3的一侧端面上分布有集热翅片，所述集热翅片位于所述集热箱内；所述集热端面板3的另外一侧端面上安装有若干块温差发电组件2，每块所述温差发电组件2的上方固定安装有水冷头4。所述集热端面板3和所述隔热板9之间通过第一钢压紧条7和第一刚压条螺栓8固定在一起，所述集热端面板3、所述温差发电组件2、所述水冷头4之间通过第二钢压紧条5和第二刚压条螺栓6固定在一起。所述第一钢压紧条7两侧设置的第一刚压条螺栓孔之间的距离与所述集热箱的宽度保持一致，确保隔热板9与集热端面板3的紧密贴合。

如图2所示，本发明所设计的一种平板式温差发电器，在集热端面板上排布两列温差发电片，温差发电片上布置两个水冷头，构成数量不等的温差发电模块。每块所述温差发电组件2之间用隔热粘片分离定位，确保每块温差发电组件2之间互不干扰。

如图3所示，本发明所设计的一种平板式温差发电器，在集热箱中集热翅片为如图所示的梯形，上下各分布10个翅片，在废气通过集热箱时，热量通过集热翅片传递，形成温差发电模块的热端。

本发明所设计的一种平板式温差发电器的整体尺寸、预期参数，以及所用温差发电片尺寸如图4、图5和图6所示：集热端面板长a1、宽b1、厚度c1；温差发电片长a2、宽b2；隔热板长a1、宽b3、厚度c3；温差发电器预期功率P；其中热电发电组件分区布置方法按照图7所示的步骤进行。其中本实例所使用的车型参数如下所示：

名称	参数值	单位
			外形尺寸	4410*1750*1640	mm
轴距	2365	mm
			满载质量	1440	kg
整备质量	1115	kg
			发动机	1.6	L
蓄电池QNY65	6.5	Ah
			空阻系数Cd	0.32	/
滚阻系数	0.013	/
			迎风面积	2.15	m<sup>2</sup>m
车轮半径	0.3175	m

本实例所使用的发动机四种工况参数如下：

发动机工况描述	发动机转速/r	负载	质量流量/g*s<sup>-1</sup>
				低速低载	1000	低	12
常用工况	2300	中	28
				常用工况	3200	中	35
高速高载	4000	高	42

本实例所使用的温差发电器参数如下：

名称	参数值	单位
			集热端面板	106*225*2	mm
隔热板	60*225*2	mm
			温差发电模块	40*40	mm
集热翅片	25*2*225	mm

本实例所使用的尾气属性参数如下：

名称	参数值
		密度ρ	0.457kg/m<sup>3</sup>
导热系数λ	0.0656W·(m·K)<sup>-1</sup>
		比热容c<sub>p</sub>	1185J·(kg·K)<sup>-1</sup>
入口速度v<sub>0</sub>	40m/s

本实例依据温差发电器整体尺寸以及温差发电片尺寸布置2*2*5共20片温差发电片，分为5个区域，因为上下两个集热端面板完全对称，仅需计算其中一面的外壁面温度。

由此得到的不同工况下不同分区的对流换热系数如图8所示。

由此得到的不同工况下不同分区的外壁面温度如图9所示。在本实例中区域1的外壁面温度范围为103-322℃，区域2的外壁面温度范围为98-310℃，区域3的外壁面温度范围为94-298℃，区域4的外壁面温度范围为89-287℃，区域5的外壁面温度范围为86-277℃。

如图10所示，所设计的平板式温差发电器根据每个分区的外壁面温度范围分为了高温区和低温区，依次选用以PbTe为半导体材料的高温温差发电片和以Bi₂Te₅为半导体材料的低温温差发电片匹配布置在相应的分区内。

以上依据本发明的技术方案详细描述了具体实施方式。根据本发明的技术方案在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，上文描述的具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

Claims (1)

1.一种平板式温差发电器的热电发电组件分区布置方法，包括如下步骤：

第一步，确定平板式温差发电器整体尺寸、预期参数，以及所用温差发电片尺寸：

(1)集热端面板长a₁、宽b₁、厚度c₁；

(2)温差发电片长a₂、宽b₂；

(3)隔热板长a₁、宽b₃、厚度c₃；

(4)平板式温差发电器预期功率P；

第二步，基于已提出平板式温差发电器的整体尺寸，在每个集热端面板上基于中线对称预布置两行温差发电片；当车辆废气通过平板式温差发电器的时候，同一列对称的两片温差发电片的热端温度总是一致的；在平板式温差发电器的集热箱中，以同一行每两个温差发电片之间的中线为分区的界限，从集热箱的废气入口处开始以每列温差发电片的位置进行分区，记为u₁、u₂、……、u_n，n为所分区域的数量，

区域的长度L由具体设计的平板式温差发电器集热端面板长a₁和所分区域的数量n决定:

第三步，确定匹配的发动机参数，实验得到发动机在低载低负荷、高载高负荷、中载城市工况、中载高速工况四种工况下的平板式温差发电器入口温度T_1i，测量得到四种工况下的平板式温差发电器出口温度T_2i，i＝1,2,3,4分别表示低载低负荷、高载高负荷、中载城市工况、中载高速工况四种工况；

确定四种工况下尾气流经区域u₁、u₂、……、u_n时的物理属性和所处区域的几何参数：

(1)尾气的物理属性为：密度ρ_i、导热系数λ_i、比热容c_pi，入口处的气体参数为：质量流量

(2)计算流经集热箱的尾气总质量m_i

A＝(b₁-2c₃)×b₃

式中，表示体积流量，V_i表示流经集热箱的尾气体积，A表示截面面积；

(3)假设尾气流经集热箱的速度不变，则流经集热箱各个区域的尾气质量m_ti：

所述m_t1表示低载低负荷工况下流经集热箱各个区域的尾气质量；

第四步，计算四种工况下的平板式温差发电器废气流体消耗的总热量Q_总i：

Q_总i＝c_pim_iΔT_总i

ΔT_总i＝T_1i-T_2i

所述Q_总1表示低载低负荷工况下平板式温差发电器废气流体消耗的总热量；

第五步，假设每段区域废气流体消耗的热量相等，则四种工况下每段区域废气流体消耗的热量Q_ti：

所述Q_t1表示低载低负荷工况下平板式温差发电器每个区域废气流体消耗的热量；

第六步，计算四种工况下区域u₁与u₂之间截面的温度T_p1i：

Q_ti＝c_pim_tiΔT_t1i

ΔT_t1i＝T_p1i-T_1i

再依次计算得到各区域之间截面的温度T_p1i、T_p2i、……、T_p(n-1)i，所述T_p11表示低载低负荷工况下第1区域与第2区域之间截面的温度，所述T_p(n-1)4表示中载高速工况下第n-1区域与第n区域之间截面的温度；

第七步，计算四种工况下各区域的内壁面温度：

各区域的对流换热量与废气消耗的热量相等，根据如下传热学公式确定各区域的内壁面温度T_b1i、T_b2i、……、T_bni：

C＝2×(b₁+b₃)

Nu_ni＝0.023Re_ni ^0.8Pr_ni ^m

其中，D_h表示水力直径，C表示横截面的周长，μ_ni表示动力粘度，μ₀＝1.7894×10^-5表示15℃时的粘度，T_rni表示各区域的平均废气温度，B为常数，Re_ni表示雷诺数，v_i表示废气流经集热箱的流速，Pr_ni表示普朗特数，Nu_ni表示努塞尔数，m＝0.3为常数，h_ni表示废气与内壁面之间的对流换热系数；

计算区域u₁中的内壁面温度T_b1i：

Q_t1＝h_1iA'₁ΔT_n1i

其中A'_n表示各区域壁面、翅片与流体的接触面积；

区域u₁中的ΔT_n1i为：

ΔT_n1i＝T_b1i-T_r1i

依次计算得到各区域的内壁面温度T_b1i、T_b2i、……、T_bni，所述T_b11表示低载低负荷工况下第1区域的内壁面温度，所述T_bn4表示中载高速工况下第n区域的内壁面温度；

第八步，计算各区域外壁面温度T_w1i、T_w2i、……、T_wni：

集热箱壁面长和宽各均超过厚度的十倍，其平壁两侧温度均匀、稳定，“边效应”已减小到可作“大平壁”处理，各区域的内外壁面传热量与废气消耗的热量相等；

ΔT_wni＝T_bni-T_wni

其中，λ_a为壁面材料的导热系数，A"_n为各区域内外壁面的导热面积；

所述T_w11表示低载低负荷工况下第1区域的外壁面温度，所述T_wn4表示中载高速工况下第n区域的外壁面温度；

第九步，依据四个工况下每个分区的外壁面温度值得到每个分区的外壁面温度范围，据此温度范围选择该范围下热电转化效率最高的温差发电组件，匹配布置到各个区间中。