汽车尾气半导体温差发电系统研究

随着百公里油耗公示制度的推出以及人们对汽车产业节能减排的越来越重视,发动机燃油经济性能已经成为决定人们买车与否的一个重要指标。而单纯从改善汽车发动机性能来提高燃油经济性无疑是非常困难的,本课题另辟蹊径,针对发动机排气余热高的特点,利用温差发电技术来回收汽车排气废热,将余热能转化为电能,储存在蓄电池中,供车载用电器使用或可为混合动力汽车提供电力来源。这对于汽车节能减排无疑具有十分重要的意义。 本文首先运用热力学定理建立了温差发电组件(Thermoelectric module, TEM)工作状态的数学模型,采用MATLAB编制了计算程序,对温差电单偶臂长l、面长比A/l对TEM输出功率和温差电转换效率的影响进行了数值计算,并通过ANSYS软件对温差电单偶的输出功率和温差电转换效率进行了热电耦合仿真分析,将两种分析结果做了比较,验证了数学模型的正确性。 其次在考虑材料非线性以及接触效应的影响后,通过ANSYS软件对温差电单偶进行了热、电、结构耦合仿真分析,对接触热导率对温差电单偶温差电性能的影响作了分析,并研究了温差电单偶臂长l、横截面边长s对温差电单偶输出功率、温差电转换效率以及热应力的影响,通过对温差电单偶结构尺寸的优化,提出了一种新结构尺寸的TEM,在保证温差电单偶不发生应力破坏的情况下,使得输出功率和温差电转换效率达到一较优值。 接着搭建了TEM的性能测试实验平台,对新设计的TEM的输出功率进行了实验测试,并将实验测试值与仿真值进行了比较,验证了仿真模型的正确性。 最后通过Fluent软件对采用新设计的TEM的不同结构方案的温差发电器(Thermoelectric generator, TEG)进行了热流耦合仿真分析,得到了TEM热面最高工作温度,确定了TEG在发动机排气系统中的布置位置,初步得出了各方案TEG的输出功率和温差电转换效率,选择了最佳的发电器方案,为温差发电器样机的制作、安装奠定了基础。