基于汽车尾气余热的热电发电系统热传递研究

摘要

热电转换技术利用半导体材料的温差发电特性，将低品质的热能转化为高品质的电能，是当前国际材料应用研究的热点技术问题。目前汽车内燃机的热能利用率仅在30％~40%之间，热电发电系统回收并利用汽车发动机的尾气余热，可以提高车辆的燃油经济性。因此，热电技术在汽车节能减排方面具有广阔的应用前景。目前，热电材料的研究主要集中在提高材料的ZT值以及改进高性能热电器件的制备技术，而在汽车领域的关键技术应用研究还不多见，纵观少数大型汽车公司的应用研究，由于缺乏对车载热电发电器内部热传递机制的理性认识和实验验证，一些研究成果仅停留在初步建模和理论公式推导阶段，未能从实验的角度进行验证。因此，本文基于热电发电器内部传热机理和导热机制，通过热阻模型和热网络图对热电发电器内部热传递过程进行理论分析，建立了热电单元三维稳态的多物理场数学模型和汽车尾气热电发电系统数学模型，同时，结合实验平台对传热机理和热阻分布进行了实验验证。最后，搭载一套成熟的包括热电转换材料、废热通道、冷却液循环、结构悬置及减震、压紧机构等的车载热电发电系统，并对车载热电发电系统进行台架测试和实车测试。论文工作大致分为三个阶段：
　　首先，以热电发电器的热能传递规律为出发点，通过理论建模、计算机仿真和科学实验，建立多重因素下的热电发电器的热学模型和热阻网络，推导出热电发电器的热传递变化规律以及影响热电发电器的诸多因素。在此基础上，建立了热电单元的三维多物理场数学模型，将多物理场耦合热电模型的数值模拟与实验数据相对比，比较分别使用常物性参数和变物性参数的热电器件模型的输出特性。
　　其次，通过实验测试了接触压力对热电发电器的输出特性以及瞬态响应特性。选取不同接触介质，探讨热电器件与冷热源固固耦合面之间的接触状况，分析不同接触介质下导热热阻和接触热阻对热电器件输出特性的影响规律。同时，在热阻模型基础上，对热阻解析模型进行了实验验证，分别选取空气自然对流、低速强制对流、高速强制对流以及水冷这四种不同散热方式，通过不同散热方式分析其对热电发电器性能的影响，揭示了热电发电器内部传热机理和热传递规律。通过散热方式的改变，热电器件的开路电压和输出功率也发生巨大的变化，在自然对流散热方式下，热电器件开路电压和输出功率远小于另外三种散热方式，其中以水冷散热方式的开路电压和输出功率为最佳。随着热源温度的不断提升，开路电压和输出功率的差距逐渐扩大，自然对流散热方式已经完全不能满足散热要求，最理想的散热方式还是水冷。
　　最后，建立了包括汽车尾气热源、冷却水冷源和热电器件三者耦合的车载热电发电系统数学模型，通过该数学模型重点讨论了当热源和冷源入口条件不同时，车载热电发电系统的热传递规律，并通过研究揭示出汽车尾气温度的不均匀性会影响热电系统整体的性能。最后，建立了一套完整的车载热电发电装置，同时以某越野车作为车载平台，建立了高度集成的“四TEG”车载热电发电系统，并同时进行了台架测试实验、道路测试实验及转毂实验。

目录

声明

第1章 引言

1.1 选题背景及意义

1.2 研究课题来源及目的

1.3半导体热电发电技术国内外研究现状及应用

1.4热电发电器传热机理与规律研究现状

1.5研究内容简述

第2章 热电发电和传热原理研究

2.1 热电发电基本原理

2.2热电发电装置的性能参数分析

2.3热电发电器传热基本理论

2.4热电器件

2.5热电发电器接触热阻及等效热阻

2.6 本章小结

第3章 热电发电器热模型与热电耦合研究

3.1热电发电器等效热阻模型

3.2热电器件的热电耦合研究

3.3热电发电器变物性影响研究

3.4 本章小结

第4章 热电发电器热传递及影响因素分析

4.1接触压力对热电器件性能影响

4.2不同接触介质对热电器件性能测试影响分析

4.3热电发电器热阻网络及实验测试台架

4.4 本章小结

第5章 车载热电发电装置设计与实验研究

5.1车载热电发电器模拟系统

5.2数值模拟结果与分析

5.3车载热电发电系统设计

5.4车载热电发电系统实验研究

5.5 本章小结

第6章 结论

6.1 研究总结

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与论文相关的科研成果