本文關(guān)鍵詞：基于熱管的軸向?qū)盈B式汽車尾氣溫差發(fā)電裝置研究

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【摘要】：目前我國(guó)已成為機(jī)動(dòng)車保有量第二大國(guó)家。汽車燃料產(chǎn)生的能量40%被尾氣帶走,如果每臺(tái)車能回收廢熱能量的10%,并加以合理利用,按目前我國(guó)汽車保有量和油耗計(jì)算,相當(dāng)于每年可節(jié)約3500萬噸原油,提高了汽車燃油的使用效率,減少了空氣的污染。汽車尾氣余熱能量回收具有重大的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。汽車尾氣溫差發(fā)電是乘用車尾氣余熱能量回收的主要手段,汽車尾氣溫差發(fā)電的研究及產(chǎn)業(yè)化已引起世界發(fā)達(dá)國(guó)家汽車行業(yè)的高度重視。因此對(duì)汽車尾氣余熱能量回收裝置的研究對(duì)于汽車實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要實(shí)際意義和研究?jī)r(jià)值。本研究的主要目的是通過對(duì)溫差發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)和傳熱方式的改進(jìn)提高取熱效率和發(fā)電效率,并通過設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出以實(shí)現(xiàn)將廢熱轉(zhuǎn)化為可利用的電能。目前實(shí)現(xiàn)汽車尾氣溫差發(fā)電產(chǎn)業(yè)化,存在幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題,例如溫差發(fā)電裝置的熱回收效率較低,體積過大和熱電轉(zhuǎn)換效率較低等。造成這幾個(gè)問題的主要原因有以下幾個(gè)方面：一是汽車尾氣溫度變化大、流速高、密度低,造成取熱困難,熱回收效率低；研究者不得不通過加大熱交換器尺寸以獲得更多的回收熱量；二是應(yīng)用于溫差發(fā)電的半導(dǎo)體材料的熱電轉(zhuǎn)化效率較低,這就決定了需要數(shù)量較多的熱電模塊來達(dá)到所需的發(fā)電量,這也造成溫差發(fā)電裝置體積增大。上述原因?qū)е铝藷犭娧b置難以在實(shí)車的有限空間上布置,從而無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。為了解決上述問題,本研究設(shè)計(jì)了一種新型的“基于熱管的軸向?qū)盈B式汽車尾氣溫差發(fā)電裝置”研究的主要工作概括如下：(1)該裝置采用軸向?qū)盈B式結(jié)構(gòu),熱電模塊布置垂直尾氣流動(dòng)方向,改變了傳統(tǒng)的熱電模塊平行于尾氣流動(dòng)方向的布置方式,該結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢(shì)在于能夠在有限的空間中布置更多的熱電模塊,從而增大發(fā)電效率,減小了裝置的體積。(2)改進(jìn)了傳熱方式,將熱管應(yīng)用于溫差發(fā)電裝置中,利用熱管的超導(dǎo)性,等溫性等特點(diǎn),解決了汽車尾氣溫度變化快,流速快,密度低,取熱難的問題,提高了熱交換效率(3)結(jié)合一汽紅旗H73.0目標(biāo)車型的空間布置要求,設(shè)計(jì)了圓筒形溫差發(fā)電裝置,并進(jìn)行了建模,對(duì)溫差發(fā)電裝置的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等進(jìn)行了仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,確定了熱盤熱管的最佳布置方式及溫差發(fā)電裝置在目標(biāo)車型中的最佳安裝位置。(4)根據(jù)圓筒形的溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)了環(huán)形熱電模塊。該模塊并非傳統(tǒng)的單輸出形式,而是將熱電模塊分為四個(gè)小模塊,每個(gè)小模塊都具有獨(dú)立的輸出,具有多個(gè)獨(dú)立輸山的環(huán)形熱電模塊使得連接方式更具有靈活性,并且通過合理的選擇連接方式能夠在一定程度上抑制電源并聯(lián)所造成的互充現(xiàn)象。(5)設(shè)計(jì)了H橋升壓降壓轉(zhuǎn)換器,解決了汽車在不同的工況下,尾氣排放量、排放速度和溫度發(fā)生變化時(shí)所導(dǎo)致的熱電裝置輸出電壓不穩(wěn)定問題,經(jīng)過H橋升壓降壓轉(zhuǎn)換器處理的電壓可直接為車載電器供電或給電池充電。(6)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上,制作了“基于熱管的軸向?qū)盈B式汽車尾氣溫差發(fā)電裝置”的小型實(shí)驗(yàn)樣件,在與模擬計(jì)算相近似的條件下進(jìn)行了汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的性能實(shí)驗(yàn),并與國(guó)內(nèi)外其他結(jié)構(gòu)的溫差發(fā)電裝置的性能進(jìn)行了對(duì)比。通過研究表明,本文提出的“基于熱管的軸向?qū)盈B式汽車尾氣溫差發(fā)電裝置”結(jié)構(gòu)合理,體積小,發(fā)電量大,熱電轉(zhuǎn)換效率高,通用性好,可應(yīng)用于汽油機(jī)和柴油機(jī)等熱機(jī),并可設(shè)計(jì)成不同的形狀,以滿足不同車型的結(jié)構(gòu)和空間尺寸要求。
【關(guān)鍵詞】：溫差發(fā)電 熱管 軸向?qū)盈B式結(jié)構(gòu) 環(huán)形熱電模塊 H橋轉(zhuǎn)換器
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM913;U463.6
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第1章 緒論16-30
• 1.1 研究背景和意義16-18
• 1.2 國(guó)內(nèi)外溫差發(fā)電研究現(xiàn)狀18-27
• 1.2.1 國(guó)外溫差發(fā)電研究現(xiàn)狀18-23
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)溫差發(fā)電研究現(xiàn)狀23-26
• 1.2.3 汽車尾氣溫差發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)26-27
• 1.3 研究的來源27
• 1.4 主要研究?jī)?nèi)容27-29
• 1.5 本章小結(jié)29-30
• 第2章 影響熱電轉(zhuǎn)換效率的因素分析30-49
• 2.1 熱電技術(shù)的三種基本效應(yīng)30-33
• 2.1.1 賽貝克效應(yīng)30-31
• 2.1.2 珀耳帖效應(yīng)31-32
• 2.1.3 湯姆遜效應(yīng)32-33
• 2.1.4 三種效應(yīng)的相互關(guān)系33
• 2.2 熱電材料33-36
• 2.2.1 半導(dǎo)體熱電材料33-35
• 2.2.2 熱電材料的優(yōu)值系數(shù)35-36
• 2.3 影響溫差發(fā)電裝置熱電效率的因素分析36-38
• 2.4 熱電模塊研究38-41
• 2.5 熱交換器的研究41-48
• 2.5.1 熱交換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究41-45
• 2.5.2 熱交換器導(dǎo)熱方式研究45-48
• 2.6 本章小結(jié)48-49
• 第3章 基于熱管的軸向?qū)盈B式汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)49-65
• 3.1 目標(biāo)車型及設(shè)計(jì)要求49-51
• 3.2 溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)51-60
• 3.2.1 溫差發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)51-54
• 3.2.2 工作原理54
• 3.2.3 主要元件設(shè)計(jì)及選擇54-60
• 3.3 溫差發(fā)電裝置換熱能力計(jì)算60-64
• 3.3.1 熱盤換熱能力計(jì)算60-62
• 3.3.2 冷盤換熱能力計(jì)算62-64
• 3.4 本章小結(jié)64-65
• 第4章 基于熱管的軸向?qū)盈B式汽車尾氣溫差發(fā)電裝置仿真分析65-76
• 4.1 仿真分析方法65-70
• 4.1.1 模型和假設(shè)65-68
• 4.1.2 邊界條件68-69
• 4.1.3 建模及網(wǎng)格劃分69-70
• 4.2 尾氣速度矢量仿真分析70
• 4.3 冷盤和熱盤溫度仿真分析70
• 4.4 高溫?zé)峁芘挪挤绞椒抡娣治?/span>70-72
• 4.5 溫差發(fā)電裝置安裝位置的仿真分析72-75
• 4.6 本章小結(jié)75-76
• 第5章 基于熱管的軸向?qū)盈B式汽車尾氣溫差發(fā)電裝置環(huán)形熱電模塊研究76-92
• 5.1 溫差發(fā)電模塊建模76-81
• 5.2 基于HZ-20熱電模塊仿真驗(yàn)證81-83
• 5.3 環(huán)形熱電模塊設(shè)計(jì)83-86
• 5.3.1 熱電偶尺寸83-85
• 5.3.2 熱電模塊排布方式85-86
• 5.4 環(huán)形熱電模塊的連接方法86-91
• 5.5 本章小結(jié)91-92
• 第6章 基于熱管的軸向?qū)盈B式汽車尾氣溫差發(fā)電裝置電路設(shè)計(jì)92-116
• 6.1 DC-DC轉(zhuǎn)換器基本原理92-93
• 6.2 基本DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器介紹93-99
• 6.2.1 基本降壓轉(zhuǎn)換器93-94
• 6.2.2 基本升壓轉(zhuǎn)換器94-95
• 6.2.3 反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器95-96
• 6.2.4 非反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器96
• 6.2.5 Cuk轉(zhuǎn)換器96-97
• 6.2.6 SEPIC轉(zhuǎn)換器97-98
• 6.2.7 H橋轉(zhuǎn)換器98-99
• 6.3 基于48V電壓輸出的H橋DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)99-107
• 6.3.1 H橋DC-DC轉(zhuǎn)換器的傳遞方程99-100
• 6.3.2 穩(wěn)態(tài)分析100-101
• 6.3.3 H橋轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)101-102
• 6.3.4 PWM信號(hào)傳輸和保護(hù)電路102-107
• 6.4 H橋轉(zhuǎn)換器仿真實(shí)驗(yàn)107-115
• 6.4.1 Multisim仿真軟件介紹107
• 6.4.2 控制邏輯和控制信號(hào)107-108
• 6.4.3 H橋電路電感和電容的選擇108-114
• 6.4.4 H橋電路升壓轉(zhuǎn)換和降壓轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)114-115
• 6.5 本章小結(jié)115-116
• 第7章 基于熱管的軸向?qū)盈B式汽車尾氣溫差發(fā)電裝置臺(tái)架實(shí)驗(yàn)116-132
• 7.1 溫差發(fā)電裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>116-120
• 7.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)116-118
• 7.1.2 電路設(shè)計(jì)118-120
• 7.2 溫差發(fā)電裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)架120-121
• 7.2.1 氣路120-121
• 7.2.2 水路121
• 7.2.3 電路121
• 7.3 溫差發(fā)電裝置實(shí)驗(yàn)121-125
• 7.3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備121-122
• 7.3.2 實(shí)驗(yàn)方法122-124
• 7.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果124-125
• 7.4 溫差發(fā)電裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析125-131
• 7.4.1 部件之間的接觸熱阻125-126
• 7.4.2 裝配誤差126
• 7.4.3 熱電模塊參數(shù)標(biāo)定誤差126-128
• 7.4.4 冷、熱盤溫差對(duì)熱電效率的影響128-129
• 7.4.5 各汽車廠家汽車尾氣溫差發(fā)電裝置效率比較129-131
• 7.5 本章小結(jié)131-132
• 第8章 結(jié)論與展望132-134
• 8.1 結(jié)論132
• 8.2 研究展望132-134
• 參考文獻(xiàn)134-142
• 作者簡(jiǎn)介及在攻讀學(xué)位期間的主要研究成果142-144
• 致謝144-145
• 附錄145-151

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

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7 孫永祥;;世界能源使用效率排名中國(guó)僅居第74位[J];廣西電業(yè);2013年Z1期

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中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

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本文編號(hào)：569390