汽车发动机尾气废热温差发电装置输出功率和转换效率研究

摘要

目前汽车电器化进程逐步发展，电器设备在车辆上的运用面日渐增广，从而对电能供应的需求也不断变大。然而汽车发电系统整体效率较为低下，能源产生了极大的浪费。因此提出将温差发电技术和汽车尾气废热回收相结合，将尾气热量回收利用转换为电能储存起来。
　　本文首先对几种基本的温差发电理论做出了详细的阐述。介绍了车辆上的热电发电装置的主要构成，对比了三种典型的汽车尾气余热温差发电装置的几何形状和性能参数，简述了平板式、圆筒式和翅片式温差发电器的优缺点。同时对发电系统的整体效率进行分析，得出其整体效率主要受换热器吸收热量的效率和温差发电组件热电转换效率的影响。
　　其次通过对温差单电偶展开分析研究，推导出发电组件整体的输出功率和热电转换效率的数学理论模型。采用MATLAB分析了发电组件内阻阻值和外接负载阻值以及热电发电元件横截面面积与其长度的比值对热电发电组件的主要发电性能参数的综合影响。通过对温差发电组件的主要性能参数输出功率和转换效率的匹配分析，得出其阻值比和面长比的最优取值区间。同时考虑温差电元件变物性和接触效应条件的影响，在ANSYS中对单个热电偶进行了温度分布和应力分布以及热、电、结构耦合模拟仿真，提出了温差发电组件的一个新型结构尺寸，使其在运行可靠性的前提下，能够达到最优的输出功率和热电转换效率数值。
　　最后对强化导热技术进行机理分析，通过对5种不同内部结构的换热器进行建模网格划分和Fluent流体数值分析，设定计算模型和计算边界条件，得出5种不同内部结构换热器腔体内部的速度场分布图和温度场分布图，综合仿真结果，采用“逆鱼骨形”内部结构的换热器作为最终方案。同时对车辆上搭载的温差发电装置进行整体构型设计，创造性的在装置的结构中将水冷和风冷系统两者综合运用，更加有效的提高了热电发电组件模块冷端面的冷却能力，设计了一种新构型的汽车尾气废热温差发电器。

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第一章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状综述

1.3 本课题研究的主要工作

第二章 温差发电技术的基本理论

2.1 温差电效应的基本原理

2.2 温差发电原理

2.3 温差发电热电材料

2.4 本章小结

第三章 汽车尾气废热温差发电系统概述

3.1 汽车尾气废热温差发电系统的构成

3.2 几种常见的汽车尾气温差发电器的结构对比分析

3.3 汽车尾气废热温差发电系统整体效率分析

3.4 本章小结

第四章 汽车尾气废热温差发电组件的设计

4.1 概述

4.2 温差发电组件数学模型的建立

4.3 温差发电组件的发电性能优化分析

4.4 温差发电组件的物性参数影响分析

4.5 基于ANSYS的温差发电组件热应力分析

4.6 温差发电组件结构尺寸的选定

4.7 本章小结

第五章 新构型汽车尾气废热温差发电装置的设计

5.1 概述

5.2 强化传热技术机理分析

5.2 新构型换热器的结构设计与数值分析

5.3 汽车尾气废热温差发电装置整体设计

5.4 本章小结

结论

主要的研究成果和创新点

进一步的工作展望

参考文献

致谢

附录A（攻读学位期间发表的论文）

附录B（攻读学位期间参与的课题项目）