汽车尾气余热温差发电系统仿真与设计

摘要

目前，我国成为了世界上最大的汽车生产国和消费国，但是也带来一系列的能源和环境问题。如何节省燃油的消耗以及降低污染和排放成为汽车行业发展的关键问题。在上世纪70年代兴起的汽车尾气余热温差发电系统正成为各大高校和车企的研究热点，它是一种能够将汽车尾气中携带的热能转换为电能的装置，可以提高燃油的利用率，具有较强的应用前景和广阔的市场空间。
　　本文在整理了国内外相关研究之后，针对汽车尾气余热温差发电系统在现阶段存在输出功率小和结构不紧凑的不足，研究在多场耦合条件下温差发电模块输出功率和转换效率的影响因素，以及尾气与集热器的换热过程，为提高集热器表面温度和改善集热器表面温度的分布提供了实现途径。在此基础上，对温差发电系统总体结构进行了设计，包括集热器、冷水水箱、夹紧装置等。
　　利用ANSYS的Design Model建立了温差电单元仿真模型，考虑了接触效应的影响，对温差电单元进行了热电耦合仿真分析，研究了温差电单元半导体变物性参数、接触热导率、接触电阻率、负载电阻、横截面边长、臂长对温差电单元输出效率及热电转换效率的影响。在对温差电单元仿真的基础上建立了温差发电模块仿真模型，该模块内部封装49个温差电单元，输出功率18.66W，转换效率5.2％。
　　利用ANSYS软件的Design Modle建立了温差发电系统的几何模型，通过确定边界条件，利用Fluent软件对温差发电系统进行了数值模拟，并比较了旁通阀门开闭对系统温度场、压力场和流场的影响。
　　利用稳压芯片XL4016设计了输入在8V至40V内输出可调的降压稳压电路，利用充电芯片UC3906设计了基于12V/7AH铅酸蓄电池的充电电路，利用芯片STC12C5A60S2设计了温度控制电路，根据设置的温度上限、下限控制旁通阀门的开闭。

目录

致谢

摘要

声明

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 温差发电模块的发展现状

1．2．1 美国Hi-Z technology公司

1．2．2 美国Custom Thermoelectric公司

1．2．3 俄罗斯Kryotherm公司

1．2．4 加拿大Thermal Electronics Corp公司

1．2．5 江西纳米克热电公司

1．3 汽车尾气余热温差发电研究进展

1．3．1 国外汽车尾气余热温差发电研究现状

1．3．2 国内汽车尾气余热温差发电研究现状

1．4 论文的研究内容

2 汽车尾气余热温差发电装置概述

2．1 温差发电系统概述

2．1．1 温差发电系统热源

2．1．2 温差发电系统冷源

2．1．3 温差发电系统集热器

2．1．4 温差发电系统电路系统

2．1．5 温差发电系统效率分析

2．2 温差发电的基本理论

2．2．1 塞贝克效应

2．2．2 帕尔帖效应

2．2．3 汤姆逊效应

2．2．4 三大效应基本关系

2．3 温差发电系统仿真模拟基本理论

2．3．1 CFD计算的基本控制方程

2．3．2 湍流模型

2．3．3 壁面边界条件

2．3．4 流固共轭换热模型

2．4 本章小结

3 温差发电模块的仿真

3．1 数学模型的建立

3．1．1 单个温差电单元输出功率及转换效率分析

3．1．2 多个温差电单元的输出功率及效率

3．2 温差电单元结构参数的优化

3．2．1 阻值比与输出功率及转换效率的关系

3．2．2 面长比与输出功率及转换效率的关系

3．2．3 半导体横截面边长及臂长与输出功率及转换效率的关系

3．2．4 接触电阻与输出功率及转换效率的关系

3．3 温差电电单元的ANSYS仿真分析

3．3．1 ANSYS热电耦合简介

3．3．2 ANSYS仿真模型的建立

3．3．3 仿真结果分析

3．3．4 变物性参数对温差电单元性能的影响

3．3．5 接触热阻对温差电单元性能的影响

3．3．6 接触电阻对温差电单元性能影响分析

3．3．7 负载电阻对温差电单元性能影响分析

3．3．8 不同结构参数对温差电单元性能影响分析

3．4 温差发电模块建模ANSYS仿真分析

3．5 本章小结

4 汽车尾气温差发电系统的仿真

4．1 汽车尾气余热温差发电系统设计

4．1．1 集热器设计

4．1．2 冷却水箱

4．1．3 温差发电模块布置

4．1．4 夹紧装置

4．1．5 温差发电系统总体结构

4．2 温差发电系统仿真

4．2．1 建立温差发电系统三维仿真模型

4．2．2 模型网格划分

4．2．3 流体相关参数计算

4．2．4 边界条件设定

4．2．5 温差发电系统仿真结果分析

4．3 本章小结

5 温差发电系统应用电路设计

5．1 降压电路设计

5．1．1 降压芯片XL4016

5．1．2 输出可调降压稳压电路

5．1．3 输出可调降压电路参数确定

5．2 充电电路设计

5．2．1 UC3906芯片

5．2．2 充电电路参数的确定

5．3 温度控制电路设计

5．3．1 硬件设计

5．3．2 软件设计

5．4 各电路PCB板制作及调试

5．4．1 降压电路PCB板制作

5．4．2 充电电路PCB板制作

5．4．3 温度控制电路PCB板制作

5．4．4 电路板调试

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历

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