汽车尾气温差发电装置.doc
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1、(完整word版)汽车尾气温差发电装置吉林大学学士学位论文(设计)承诺书本人郑重承诺:所呈交的学士学位毕业论文(设计),是本人在指导教师的指导下,独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文(设计)不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体,均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。 学士学位论文(设计)作者签名: 2014年 6月 3日中文摘要由于世界工业化进程的速度加快,能源与环境危机越来越备受瞩目,寻找新的替代能源和开发高效的节能技术已被很多国家写入国策。在如今的能源利用
2、体系下,大量的低品位能源充斥其中。单从汽车业行业角度来说,尾气中的能量流失是十分巨大的,如果能够充分利用这部分废气,对于提高燃油利用率乃至缓解能源问题具有非常重要的意义。本论文中为解决这一症结采取了汽车尾气余热半导体温差发电技术。温差发电技术是一种以温差发电材料为基础,利用热电效应将低品位能源转化为高品位能源的技术,因为它具有噪声小、磨损低、质量轻、安全可靠、性能稳定、环境友好、适用范围大以及不受温度所限等众多的优势,故而温差发电技术在工业废气等低品位热能的回收与利用上有很高的潜力。本文涉及的主要内容有如下几个方面:(1) 通过对研究背景和发展现状的研究,充分肯定了尾气温差发电的必要性和可行性
3、。并通过比较各种尾气发电方式的利弊选取了合适的方案。(2) 深入了解了温差发电的原理,对实验装置结构进行了初步的探索,然后对其进行了详尽的热力计算和功率计算,确保可达到预期目标。关键词: 能源危机 汽车行业 余热利用 温差发电 ABSTRACTBecause of the faster pace of the industrialization,the energy crisisand environmentproblemis being more and more serious。To explorea new alternative energy sources or develop th
4、e energy-saving technologies efficientlyhas become a very importantnational policyin many countries.There is a large number oflow grade energy in the existing energy system. According to statistics, the loss of exhaust energy is enormous.To take full advantage of this part of the exhaust gas has a v
5、ery important significance on improving fuel efficiency and alleviating the energy problem. Because thermoelectric generationtechnology has lots of advantages,such as low noise, low wear, light weight, safe and reliable, stable performance, environment friendly, wide application, not limited by temp
6、erature and so on,it has a great potential on the aspect of using industrial gas and some other low-grade energy.Thermoelectric generationtechnology isadoptedto solve this problemin this thesis. Thermoelectric power generation is a technique that change solar, geothermal, and other low-grade industr
7、ial waste heat energy into electrical energy by using thermoelectric materials. The main task of this paper involves as follows:(1) Based on the study of background research and development status, fully affirming the necessity and feasibility of exhaust power generation. And selecting the appropria
8、te solution by comparing the pros and cons of various ways of generating exhaust .(2) Exploring experimental device structure preliminary by study the principle of thermoelectric power generation,and then make calculation of thermodynamic and power in detail,in order to make sure to achieve the desi
9、red goals.Key words: Energy crisis. Automotive industry. Waste heat utilization. Thermoelectric power generation.目 录第1章 绪论11.1 背景及意义11.2 研究现状21.2.1国外研究进展21.2.2国内研究进展31.3 主要任务5第2章 温差发电装置概述72.1 热电转化基本原理8一、塞贝克效应8二、帕尔贴效应8三、汤姆逊效应9四、焦耳效应9五、傅里叶效应102.2 温差发电数学描述112.3 温差发电的特点132.4 温差发电装置结构分析142.4.1热电转换模块142.4
10、.2温差发电器152.4.3热电材料182.4.4热源202.4.5冷源21第3章 功率负荷计算233.1功率计算基本过程23一、热电偶的功率计算23二、热电偶的转化效率24三、温差发电器的输出功率263.2 参数选取273.2.1塞贝克系数273.2.2温差发电模块导热性能指数283.2.3温差发电模块导热系数293.2.4温差发电模块其他相关参数303.2.5热流体及气箱相关参数313.2.6冷流体及水箱相关参数323.2.7冷热流体平均温差333.2.8发电模块冷热端温差343.2 功率计算36第4章 温差发电装置的设计374.1 温差发电模块布置374.2热端气箱384.3冷端水箱39
11、4.5夹紧装置414.6关于结构的一些注意事项42一、结构材料42二、机械应力42三、湿气43第5章 总结45参考文献47致 谢49II第1章 绪论1.1 背景及意义从上个世纪六、七十年代以来,由于能源危机的频发加剧,能源短缺业已成为世界各国普遍重视的问题。世界各国在不断争抢能源市场份额的情况下,对节能减排的关注度也大大提高。但从汽车行业来讲,随着人们生活水平的进步,汽车早已成为低门槛的商品进入千家万户,也使得汽车对能源的消耗在总能源消耗中所占的比重越来越大。所以节能技术的开发越来越受到全世界的瞩目。众所周知,汽车耗能主要来自于是石油燃料,汽车行业的蓬勃发展和石油资源的严重短缺在我国现阶段已成
12、为难以调和的矛盾。所以减轻环境污染和提高燃油利用率在现今中国有着不可忽略的战略意义。研究调查表明,汽车燃料燃烧所释放的全部能量只有三分之一被有效利用,其余大部分都散失或被排放到环境中,这在资源浪费的同时也加剧了环境负担。因此,将视线关注到汽车废气的利用或许是实现节能减排、开源节流的一个切实可行的途径。将汽车尾气中的低品位能源转化成可以直接利用的品位相对较高的能源具有十分重要的意义。这不仅仅体现在提高了能源利用率,降低了汽车行业的边际成本,更多的是还可以创造一个巨大的环境收益。据统计,中国的汽车保有量与日俱增,2003年,才只有不足三千万的占用率,而仅仅十年后,汽车保有率就飞增到1.3亿,这意味
13、着平均每十个人,就会拥有一台汽车,这一亿多辆,近6背的增长率,恐怕是在任何国家都难以上演的。而汽车年油耗量高达两亿多吨,占全国平均能耗量的近6成份额。从我们已知的资料中,这其中有三分之二左右的能源没有得到充分利用,也就是超过一亿吨的油耗变成了低品位的废气,被排放到大气中成为环境负担。所以显而易见,对于工业废气的低品位能源利用,具体而微,是对于汽车尾气能源的回收利用在创造着巨大经济效益的同时,也潜在着不可估量的环境收益,故而在温差发电方面的研究不仅仅是一项简单的科研课题,它肩负着无比重大的意义。1.2 研究现状1.2.1国外研究进展19二十年代初期,物理学家塞贝克发现了一个当时似乎并不很受重视但
14、对后世意义深远的发现温差发电效应,又称为塞贝克效应。此后温差发电作为一个物理学小分支,被广泛的研究开来。再加上第二次世界大战末期半导体材料的发现,温差发电更是迎来了其最辉煌的一页。20世纪四十年代末,第一台温差发电器问世,虽然效率仅仅才达到1.5%,但这充分证明了温差发电的可行性。随后,50年代初期,前苏联科学家loffe院士成功将温差发电应用于民用领域利用温差发电装置,在偏远山区,将煤油灯、拖拉机等低品位热能成功转化成电能。到了60年代,热电材料得到了很好的发展。人们陆续发现了Bi2Te3、 PbTe、SiGe等高优值的温差发电材料,又由于当时两极形式的国际环境下,苏美双方展开包括军事科技在
15、内的多方面国力竞争,促使温差发电得到了飞速的发展。其结果是到了60年代末期,苏联就已经完成了千逾个温差发电器,输出功率大多在100w以内,寿命达到10年以上。这些温差发电器大多被应用在航空、航天、航海等领域,效果斐然。美国自然不会落后1977年,他们发明并用以进行太空探测的RTG温差发电器,功率已可高达近160W,随后到了80年代初,又有大量高功率温差发电器被用军事,甚至大批次的成为部队武装。除了军事竞争的原因,由于环境污染和能源短缺的缘故,温差发电的研究越来越被各个国家所重视,很多国家甚至已将其列于长期国策当中。比如日本就通过废污燃烧来回收能源,并以此为课题在国内大范围展开,它主要利用的是焚
16、烧固体废物产生的热能,通过温差发电器将其转化为电能并予以收集。这既达到了保护环境的目的又使废物得到高效率的回收利用。21世纪初,美国开始大规模资助各高校在温差发电及高优值温差发电材料方面的研究工作,重点是低品位的工业废热利用。这也是温差发电技术发展至今全世界都在关注的一个重要。除此之外,其他形式的温差发电设计也是层出不穷。比如德国有科学家以夏日的高温地面为热源,利用热管采集热量,并使用多组温差发电器,当管内流体流速到达一定程度是,会产生很客观的一部分电量。还有人通过在房顶放置集热器,以太阳能和周围环境的温差为对象,利用温差发电器带动轴流风机,可到达降低屋顶温度或作为室内空调的用途。在汽车领域中
17、,美国能源幻境总署曾与纽约能源开发中心合作研制了一种汽车尾气余热发电装置,该装置以碲化铋为温差发电材料,制作出20组温差发电模块,可以保证当车辆运行时速超过每小时一百千米时产生最大可到近三百瓦的功率输出量。直到去年,宝马公司和BSSt的科学家共同发表声明,将在2013年推出携带有温差发电器的商用汽车。1.2.2国内研究进展较之于国外,我们对于温差发电材料的研究开始时间较晚,速度也比较缓慢。最早是在70年代末,中国科学研开始着手温差发电材料的研究,并计划用于红外线探测仪等小型电子设备的研发商,但因技术所限,大多局限于几种传统材料上,并没有实现什么质的突破。在汽车领域,我们和国外也具有不小的差距。
18、虽然温差发电装置的研制略有成果,但是无法达到标准化、系统化。另外由于温差发电材料的开发和研究比较落后,实验结果效率较低,所以还不能真正的进行整车研发或者投入生产。故而相比于国外,我们任重而道远。但是有一些成绩还是很令人骄傲的。在我国973计划支持的项目中,有一项是由武汉理工大学和上海某研究所联合展开的对于新型高优值半导体材料研制的课题。在国家的大力扶持下,他们成功的研制成了一种新型低温温差发电材料鍗化铋,与已有的传统材料相比,它的性能可以高达近2倍。厦门大学从工程热力学角度展开研究,成功的在材料结构参数和其发电效能之间找到了一条连接的桥梁。从理论角度得出了温差发电材料效率和性能的推导公式。吉林
19、大学在1997年时率先将温差发电技术应用于汽车上。当时使用的热电材料是PbTe,实验对象是一台解放柴油货车J141,实验取得成功,虽然效率还不足3%,但是温差发电装置的功率足可以取代一个约350W的温差发电机。除吉林大学外,华南理工大学也是较早研究汽车温差发电装置并取得较好成绩的高校。他们利用FLUENT、MATLAB、ANSYS等流体力学或仿真软件对温差发电模块的性能进行了细致的模拟,并针对整车,进行了仿真分析。由以上的发展现状可以看出,虽然温差发电装置的研制已小有成就,但是还仅仅处于初期阶段,尤其式和国外相比,我们的劣势更为明显,主要是由于高性能热电材料的开发以及如何提高温差发电器的效能。
20、在这方面,国内的最高效率也仅仅不足百分之二十。功率也不在1000w,所以很难系统化、标准化的装配到汽车上,更无法取代已有的车辆发电方式。所以靠温差发电来实现能源回收利用还有很长很长的一段路要走。1.3 主要任务使用汽车尾气的能量流进行发电,主要有四种可行办法,他们分别为用利用热电材料温差发电技术、利用氟利昂的废气透平发电技术、利用尾气带动涡轮机发电技术和利用斯特林循环发电的发电技术。半导体温差发电。温差发电是一种环境友好的发电方式,它是通过半导体热电材料将热能直接转化为其他形式的高品位能源。这项技术起步于20世纪初,但因技术原因未能一上历史舞台变大放光彩,仅仅应用于军事,航空或温度极为特殊的情
21、况下。直到后来随着半导体应用的成熟,温差发电才逐渐得到重视。在汽车方面,日本曾较早研制出温差发电的小型发电机,功率仅为100w,能节省大概5%左右的燃油,引起了广泛关注。此后,美国率先研制出了应用于大型货车柴油发动机的温差发电装置,功率可达1000W。现在,包括我国在内的世界各国都开始对汽车尾气温差发电展开深入研究。其中研究成果比较显著的主要有吉林大学、西安交通大学、武汉理工大学等高校。利用发动机废热的氟利昂透平发电。 这项发电技术的主要材料通常是氟利昂等低沸点物质,由于具有在较低温度下就能成为高压气体的特性,以此为工质,利用尾气温度将其从液态转化为高压蒸汽进而推动发电机做工。它的最大局限性在
22、于工质相变过程中的吸热阶段会使尾气温度快速降低,以至于无法得到一个较高的效率。废气涡轮发电。这种发电方式的主要原理是利用汽车尾气的能量对涡轮机做功,进而带动发电机发电。这种设想在国内最早由青岛大学提出,并由于此项设计获得相关专利。其他国家也做过类似的实验装置进行废气利用,虽然可行性分析证明了利用废气带动涡轮机发电的确可以为汽车提供质量可观的电能。但是人们后来发电这种装置可能潜在着影响汽车机工作性能的弊端,故而大都浅尝辄止,未进行更深层次的研究。但是此项技术在柴油发动机上有着较好的表现,对于提高内燃机经济性做出了不小贡献。利用斯特林循环原理发电。斯特林发动机属于外燃机的一种。它的工作环境是一闭式
23、循环的回路,工作方式是通过气缸容积的变化来控制工质的运动途径:在低温热源压缩工质,再在高温高压的环境中膨胀,以此获得正的循环功。重复上述过程将热能转化为机械能,由量变达到质变,再有机械能转化为电能。斯特林发动机于19世纪初发明于欧洲一牧师之手,主要目的是带动水泵工作。但由于时代技术等客观因素限制,当时的斯特林发动机效率极低,未能大面积发展开,更是被后来的内燃机所取代替并淘汰。但是由于其振动小、噪声低等特点并未被人类完全抛弃,在技术相对成熟的今天又得到可发展的新阶段考虑到方案各自的优缺点及实验的可行性,在这里我们选用半导体温差发电。49第2章 温差发电装置概述温差发电系统实际上是一个非常庞大非常
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