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原文传递温差发电器的特性分析及其基于发动机排气余热能回收利用的研究

论文题名：	温差发电器的特性分析及其基于发动机排气余热能回收利用的研究
关键词：	温差发电器;内燃机排气;余热能回收;瞬态模型;发电性能
摘要：	将内燃机的余热能回收再利用是提高总能效率、降低油耗和CO2排放的一个有效途径。温差发电器(Thermoelectric generator,TEG)利用了半导体热电材料将热能直接转化为电能的特性，具有无机械运动、运行安静、小型轻便和对环境无污染等优点，在内燃机排气的余热能回收利用领域具有重要的应用价值和前景。　　本文采用了模型研究和实验研究的方法，进行了温差发电器的特性分析，及其基于发动机排气余热能回收利用的研究。从单电偶臂对的分析，扩展到多个电偶臂对串联成的温差发电器，从稳态模型递进至瞬态模型，然后将模型进行横向扩展，与整车行驶工况相耦合，分析瞬态工况以及一些典型的车辆行驶工况下发电器的性能，并进行了基于发动机排气余热能利用的温差发电器的台架实验。论文主要工作如下：　　(1)利用CFD(Computational Fluid Dynamics)工具，基于不同的守恒方程表述和边界条件划分，对同一电偶臂对（即相同的计算域）建立了两种三维数值模型，并指出了前人文献中相关模型的不完善之处，对温差发电的深层现象进行研究，以理解热电转换过程。并对电偶臂的形状进行优化设计，采用新结构的电偶臂对，可以更好的将热电材料匹配工作温度区间，以提高材料的功率密度。CFD模型可以直观的展示不同工况下电偶臂对内部的温度分布和电势分布云图。　　(2)对于由多个电偶臂对组成的温差发电器，通过实验的方法，研究了冷却方式、冷热源温度、装配压力、组合方式和负载电阻等因素对发电性能的影响，为CFD模拟和仿真计算提供数据支撑和验证。重点研究了温差发电的瞬态行为，在温差发电器的启动过程中发现了过冲现象，该现象是由于冷、热端与环境的温度变化速率不一致造成的，定义过冲度这一概念对其进行表述。　　(3)将单电偶臂对的模型，扩展到多个电偶臂对串联成的温差发电器模型，建立了基于发动机排气余热能利用的温差发电器的瞬态模型，并对求解过程中模型的时间步长和空间步长中的变化给出了介绍。对于其内部不同区域的守恒方程和边界条件作了细致的分析，根据温度守恒和热流密度守恒，建立了四个界面的热学边界条件；给出了五种启动模式的电学边界条件，分别是恒流模式、恒压模式、最大功率模式、恒功率大电流和恒功率小电流启动模式，分别比较了这五种模式下发电器的稳态性能和瞬态行为，分析了启动过程中，电偶臂内部的温度、电势和热流变化，对发电性能达到额定功率的时间进行了研究。同时，考虑了车速和环境温度等外部因素对发电性能的影响。　　(4)将发电器的瞬态模型进行扩展，与整车的行驶工况模型相耦合，分析了加、减速工况、阶梯车速工况和往复车速工况中发电器的性能变化情况。选取了三种典型的车辆行驶工况进行分析，分别是10-15、NEDC(New European Driving Cycle)和UDDS(Urban Driving Dynamometer Schedule)工况，代表了日本、欧洲和美国的典型工况，比较了温差发电器在具体行驶工况中，对于车辆输出功率的提升。　　(5)进行了温差发电器的发动机台架实验。以某1.5 L汽油机的排气为热源，以恒温水箱供给的循环水为冷源，观察了不同工况下，发电器的稳态性能以及变工况阶段的瞬态行为。对变工况下，发电性能变化的时间量纲进行确定，为基于发动机排气余热能的温差发电器的瞬态模型的变工况数据提供了实验基础。
作者：	于书海
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	李献国;杜青
授予学位：	博士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文