發(fā)動機(jī)余熱發(fā)電設(shè)計(jì)

摘要XXX1引言1.1研究目的意義當(dāng)今2023年燃油汽車全國保有量達(dá)到32億，發(fā)動機(jī)尾氣余熱回收利用具有多個顯著優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。提高能源效率，發(fā)動機(jī)在運(yùn)行時會產(chǎn)生大量的尾氣余熱，這部分能量如果不加以利用，就會白白浪費(fèi)。通過尾氣余熱利用技術(shù)，可以回收并轉(zhuǎn)化這部分能量，從而提高能源的整體利用效率。提升車輛性能，在寒區(qū)冬季條件下，利用尾氣余熱對發(fā)動機(jī)動力艙或發(fā)動機(jī)進(jìn)行保溫，可以顯著提高車輛在低溫條件下的冷啟動性能，尤其是對于重型車輛來說更為重要。此外，尾氣余熱還可以用于提高發(fā)動機(jī)的有效功率輸出，從而在一定程度上提升車輛的機(jī)動性能。延長車輛壽命，尾氣余熱利用技術(shù)可以減少發(fā)動機(jī)在低溫條件下因?yàn)轭l繁啟動和停止而產(chǎn)生的磨損，從而延長發(fā)動機(jī)的使用壽命。同時，由于減少了發(fā)動機(jī)的負(fù)荷，也可以降低車輛的維護(hù)成本。節(jié)能減排，尾氣余熱利用技術(shù)可以減少車輛的燃油消耗，從而降低二氧化碳和其他溫室氣體的排放。這對于應(yīng)對全球氣候變化和推動可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。提高乘坐舒適性在一些應(yīng)用中，尾氣余熱可以用于車廂采暖，提高車廂內(nèi)的溫度。這不僅可以解決極寒天氣下車廂暖風(fēng)能量不足的問題，還可以提高乘員的乘坐舒適性。綜上所述，發(fā)動機(jī)尾氣余熱回收利用技術(shù)具有提高能源效率、提升車輛性能、延長車輛壽命、節(jié)能減排、提高乘坐舒適性和廣泛的應(yīng)用前景等優(yōu)點(diǎn)。隨著環(huán)保意識的不斷提高和能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻，尾氣余熱回收利用技術(shù)將成為未來汽車發(fā)展的重要方向之一。2023年中國汽車銷量超過3000萬大關(guān)，全球份額上升至34%，自2015年以來，全球車市保持著良好的增長勢頭，2017年達(dá)到峰值，2019年因疫情從9335萬輛降低至8981萬輛，下降幅度達(dá)13.12%，隨后車市稍有回暖，截至2023年逐步恢復(fù)到疫情前狀態(tài)。如圖清楚地看燃油車仍然受到大量的廣泛的使用，隨著汽車的使用更加廣泛，所以燃油車將會基本維持在一個較高的水平，所以發(fā)動機(jī)尾氣的高溫余熱的熱量浪費(fèi)仍然是一個有待解決的問題。成熟的技術(shù)與廣泛的應(yīng)用，燃油車的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，經(jīng)過了數(shù)十年的發(fā)展和優(yōu)化，其性能穩(wěn)定可靠。同時，燃油車在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，無論是私家車、商用車還是工業(yè)設(shè)備，都可以看到燃油車的身影。燃油車作為傳統(tǒng)的動力源，仍然存在著許多優(yōu)點(diǎn)，以下是燃油車的一些主要優(yōu)點(diǎn)。加油便捷，燃油車可以在任何加油站進(jìn)行加油，而不需要像電動汽車那樣需要尋找特定的充電站。加油過程通常只需要幾分鐘，而充電則可能需要數(shù)小時，這使得燃油車的加油便利性大大超過了電動汽車。續(xù)航里程長，燃油車的續(xù)航里程普遍較長，一次加油可以行駛數(shù)百甚至上千公里，而不需要頻繁充電。這使得燃油車在長途旅行或偏遠(yuǎn)地區(qū)使用時具有明顯優(yōu)勢。動力性能優(yōu)越，相比電動汽車，燃油車的動力性能更為優(yōu)越。燃油車可以利用燃油產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而驅(qū)動車輛行駛。這種動力傳遞方式更為直接和高效，使得燃油車的加速性能、爬坡能力和載重能力都更為出色。價格相對較低，雖然電動汽車的價格在不斷下降，但總體來說，燃油車的價格仍然相對較低。這主要是因?yàn)槿加蛙嚨纳a(chǎn)技術(shù)和供應(yīng)鏈已經(jīng)相當(dāng)成熟，成本得到了有效控制。維修保養(yǎng)簡單，燃油車的維修保養(yǎng)相對簡單，許多零部件和維修技術(shù)都已經(jīng)非常成熟。同時，由于燃油車在市場上的保有量較大，因此其維修保養(yǎng)成本也相對較低。適用環(huán)境廣泛，燃油車對環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。無論是高溫、低溫還是潮濕、干燥等環(huán)境，燃油車都可以正常工作。而電動汽車在極端環(huán)境下可能會出現(xiàn)性能下降或損壞的情況。圖1-12015-2023年汽車保有量圖發(fā)動機(jī)損耗能量占比為62.4%，除此之外空調(diào)等附件占比為2.2%，與此同時，汽油燃料有75%的能量已經(jīng)損耗，其中50%的損耗為廢氣損耗，占總能量的37.5%，如果能得到回收與利用，所以對汽油發(fā)動機(jī)余熱進(jìn)行回收利用，本文采用余熱發(fā)電技術(shù)，根據(jù)能量守恒，塞貝克效應(yīng)等原理，將多余的熱能轉(zhuǎn)換成電能。汽車溫差發(fā)電技術(shù)具有提高能源利用效率、減少環(huán)境污染、提高汽車性能、延長汽車使用壽命和推動技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級等多重用處，對于促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。所以，高溫尾差發(fā)電設(shè)計(jì)解決很多問題圖1-2汽油發(fā)動機(jī)能量去向分布圖1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外現(xiàn)狀在微小型溫差發(fā)電技術(shù)的研究中，國外主要有美國Princeton大學(xué)，南加州大學(xué)，Michigan大學(xué)等。2000年，美國USC氣動實(shí)驗(yàn)室研制出一臺微型溫差發(fā)電裝置，德國德瑞斯登科技大學(xué)研制出一種以銅為媒質(zhì)的小型溫差發(fā)電裝置，該裝置的表面面積為1630mm2，輸出電壓可達(dá)250mVREF_Ref349\r\h[5]。BehzadGolpavar等研究了以冷卻液和排氣作為熱源驅(qū)動的雙回路吸附式冷卻系統(tǒng)來滿足傳統(tǒng)空調(diào)和制冷需求，在此基礎(chǔ)上，研究了該方法在不同環(huán)境溫度、操作條件下的性能[6]。Ramírez-Restrepo等人通過CFD模擬和試驗(yàn)，評價了TEG在不同速度和轉(zhuǎn)矩條件下改善固定柴油機(jī)的效能[7]。1976年，SerksnisREF_Ref489\r\h[8]等人設(shè)計(jì)了溫差發(fā)電裝置排氣管的尺寸，長度129《資源節(jié)約與環(huán)?！?020年第4期為460mm、內(nèi)徑為76mm，排氣管的材料選用不銹鋼。目前，美國、日本在熱電材料及工程領(lǐng)域的研發(fā)投資居世界前列。1.2.3國內(nèi)現(xiàn)狀溫差發(fā)電與半導(dǎo)體制冷是一對相互可逆的熱電現(xiàn)象。同樣的PN結(jié)，如果有不同的溫度，可以用來產(chǎn)生電力，如果給它供電，可以用來冷卻它的一端。我國在半導(dǎo)體制冷領(lǐng)域的研究已經(jīng)達(dá)到了一定的層次，已經(jīng)有了商業(yè)化的裝置和裝備，但是對于溫差發(fā)電，卻基本處于空白狀態(tài)。隨著國際間學(xué)術(shù)交流的不斷深入，許多學(xué)者開始走出國門，走向世界，我們相信，在這方面，我們的落后局面將會逐步改變。同濟(jì)大學(xué)涂小亮等人在排氣余熱利用方面進(jìn)行了探索性研究，提出了一種采用正八面形截面的筒形溫差發(fā)電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了排氣余熱的高效利用。天津大學(xué)謝輝等研究并提出了組合透平的構(gòu)型選擇和與內(nèi)燃機(jī)的匹配方法；吉林大學(xué)高青等人基于空調(diào)用熱特性，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊的廢熱回收裝置，并將其應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)排氣的余熱回收。鄧志鑫等采用單效溴化鋰吸收式制冷技術(shù)，將機(jī)動車排氣廢熱與太陽能相結(jié)合，對其進(jìn)行了降溫，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能有效地工作，并能滿足車廂內(nèi)的需求。雖然美國，日本等國家對于發(fā)動機(jī)尾氣利用的研究開始較早，但是近些年的研究相對較少，當(dāng)前汽車發(fā)展較快的趨勢下，很多傳統(tǒng)的尾氣發(fā)電裝置并不適合當(dāng)今的車輛，而且并未再生產(chǎn)過程中投入，當(dāng)前國內(nèi)的研究過程中，主要的研究方向集中在冷暖機(jī)的設(shè)計(jì)，雖然有利用汽車尾氣進(jìn)行溫差的研究，但是均停留在理論階段，并未投入生產(chǎn)，所以本文從能量轉(zhuǎn)換的角度出發(fā)，通過溫差發(fā)電的方式對熱量進(jìn)行回收。1.3主要研究內(nèi)容(1)針對目前發(fā)動機(jī)尾氣余熱利用效率和溫差發(fā)電進(jìn)行分析，指出汽車余熱利用存在的問題，介紹了本設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，對汽車性能優(yōu)化和環(huán)境質(zhì)量改善具有深遠(yuǎn)意義。(2)本文將對溫差發(fā)電進(jìn)行基本介紹，先介紹了溫差發(fā)電機(jī)理，然后對于溫差發(fā)電的工作原理限進(jìn)行詳細(xì)的分析說明，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行溫差發(fā)電具體裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)(3)對余熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行傳熱計(jì)算，確定傳熱效率和熱導(dǎo)率等。(4)主要針對通風(fēng)管道，通水管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，與電偶臂進(jìn)行裝配，并進(jìn)行零件的選取和設(shè)計(jì)，完成裝配。本文以福田祥菱M1單排廂式微卡作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，來進(jìn)行熱管換熱器和保溫車廂的設(shè)計(jì)，該型號汽車的主要參數(shù)如表1-1所示。表1-1福田祥菱微卡主要參數(shù)福田祥菱微卡主要參數(shù)發(fā)動機(jī)東安DAM15L最大功率82KW最大馬力112馬力排量1.5L貨箱形式廂式貨箱參數(shù)3100mm*1600mm*1700mm2尾氣余熱溫差發(fā)電原理2.1汽油發(fā)動機(jī)尾氣產(chǎn)生過程整體的工作過程為汽油與空氣在進(jìn)氣歧管中結(jié)合，油氣混合物進(jìn)入氣缸，依靠電子點(diǎn)火系統(tǒng)工作，使油氣混合物燃燒，進(jìn)而氣缸內(nèi)密度瞬間增大，活塞下行，曲軸運(yùn)動，進(jìn)而帶動汽車工作。依靠慣性，曲軸一直運(yùn)動，四個氣缸一直周而復(fù)始的運(yùn)動使汽車正常行駛。圖2-1熱電轉(zhuǎn)換工作原理而尾氣經(jīng)過排氣歧管，經(jīng)過發(fā)動機(jī)冷卻后仍然帶有600-800℃的高溫，其中包含很多有毒氣體，污染空氣，要經(jīng)過尾氣凈化器，即三元催化器，首先有毒氣體與貴金屬鉑和銠加熱反應(yīng)，而后，與金屬鉑和鈀反應(yīng)進(jìn)而使排出的氣體為二氧化碳，氮?dú)?，水蒸氣，除此之外，氣體污染程度已經(jīng)解決，但是仍然有很大的噪音，所以氣體應(yīng)該通過消音器來降低，消音器設(shè)計(jì)近似于迷宮，經(jīng)過抵消之后可以從排氣管中排出。2.2溫差發(fā)電產(chǎn)生原因溫差發(fā)電器主要利用熱電效應(yīng)，利用塞貝克定理，將多余的熱能轉(zhuǎn)換成電能利用。主要的原件為不同半導(dǎo)體，P型和N型。一端與熱源相連接，也就是與高溫廢氣的熱量，另一端與水通道相接觸，由此構(gòu)成電偶單體。將外負(fù)載電阻與溫差電單體的開路端相連接，當(dāng)溫差電偶的熱端和冷端溫度不同，產(chǎn)生溫差，電流將流經(jīng)電路，由此實(shí)現(xiàn)熱能向電能的轉(zhuǎn)換[9]。在發(fā)電設(shè)備運(yùn)行過程中，為了保持冷熱兩端的溫度差，需要不斷地向熱端提供熱量，并從冷端處排出熱量。其中一部分由珀?duì)栙N熱吸收，另一部分則由導(dǎo)熱傳遞到較冷的端部。從冷端部散發(fā)的帕爾貼熱，從熱端傳遞過來的熱，從熱端傳遞過來的熱，還有一部分焦耳熱是從系統(tǒng)中散發(fā)出來的。溫差發(fā)電單元的熱電轉(zhuǎn)化效率，塞貝克系數(shù)，電導(dǎo)率，導(dǎo)熱系數(shù)等對有效能量與熱源所耗熱量的比值。為了進(jìn)一步提升熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換效率，需要在提高熱電材料塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低熱導(dǎo)率。但是，這兩個參量都與載流子濃度、遷移率等因素有關(guān)。2.2.1塞貝克效應(yīng)又可以稱作第一熱電效應(yīng)，是溫度差異的不同導(dǎo)致半導(dǎo)體或者不同的電導(dǎo)體由于電子流動的因素產(chǎn)生的電壓即為熱電現(xiàn)象，電子由熱端流向冷端。在此回路中，是由兩種不同金屬AB組成，且由于兩個金屬接觸點(diǎn)的溫度有差異，電子就會產(chǎn)生移動，因此形成電流，我們稱之為熱電流，所產(chǎn)生的熱電勢即為熱電勢，方向取決于溫度梯度方向。塞貝克效應(yīng)通俗的理解為由于溫度的不同，形成溫度梯度，因此導(dǎo)體內(nèi)的載流子自熱端向冷端移動，由于冷端溫度低，載流子不在移動，因此在冷端堆積，在材料內(nèi)形成電流和電勢差，由于電勢差的存在，會形成一個反向的電荷流，當(dāng)電荷流形成動態(tài)平衡，此時電勢差保持不變，保持穩(wěn)定，此電動勢較大，可用作溫差發(fā)電器。塞貝克系數(shù)（Seebeck系數(shù)）是由構(gòu)成熱電偶的材料和結(jié)的溫度決定的，通常在較低的溫度范圍內(nèi)取a~b，取正值，其數(shù)值依賴于兩個結(jié)點(diǎn)的溫度以及導(dǎo)體的材質(zhì)REF_Ref760\r\h[10]。圖2-2熱電效應(yīng)回路圖2.2.2帕爾貼效應(yīng)帕爾貼效應(yīng)是指在不同的材料的導(dǎo)體中產(chǎn)生的電流，在此回路中，會產(chǎn)生焦耳熱，也會產(chǎn)生吸熱，放熱現(xiàn)象，其中焦耳熱不可逆，吸熱放熱是出現(xiàn)在不同導(dǎo)體的接頭處，如果電流從導(dǎo)體1流向?qū)w2，單位面積吸熱與與電流的大小成正比。簡單可以理解為：如果存在外加電場，電子就會發(fā)生定向運(yùn)動，此時內(nèi)能轉(zhuǎn)移到另一端。半導(dǎo)知體制冷原理是熱帶偶是由兩塊不同的半導(dǎo)體材料組成，分別為P型，還有N型，會產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而形成冷熱端。（3-2）比例系數(shù)πab稱為Peltier系數(shù)，也叫Peltier電勢，q是傳輸?shù)碾姾伞．?dāng)電流由a到b,πab為正，dQ>0,吸熱：反之則放熱。πab的大小與節(jié)點(diǎn)溫度及熱電偶組成材料有關(guān)REF_Ref897\r\h[11]。2.2.3湯姆遜效應(yīng)在湯姆遜效應(yīng)中，當(dāng)一個導(dǎo)體處于溫度梯度中時，導(dǎo)體內(nèi)部的電流會導(dǎo)致導(dǎo)體的一側(cè)吸熱，而另一側(cè)釋熱，從而產(chǎn)生熱現(xiàn)象。這種效應(yīng)與塞貝克效應(yīng)（Seebeckeffect）相反，塞貝克效應(yīng)是在材料兩端存在溫度差時產(chǎn)生電壓。而湯姆遜效應(yīng)則是在電流通過材料時產(chǎn)生溫度差。湯姆遜效應(yīng)在一些熱電器件的設(shè)計(jì)和熱電材料的性能評估中具有重要作用。在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮湯姆遜效應(yīng)對溫度梯度和電流密度的影響，以確保器件的穩(wěn)定性和性能。溫度梯度伴隨著熱效應(yīng)的產(chǎn)生，也就是Thomson效應(yīng)，產(chǎn)生的熱量為Thomson熱。Thomson熱與電流和時間有關(guān)系，且均為正比關(guān)系，假定溫度梯度較?。海?-3）比例系數(shù)τ為湯姆遜（Thomson）系數(shù)。符號規(guī)則與Peltier效應(yīng)相同，當(dāng)電流流向熱端，dT>0，τ>0，dQ>0，吸熱。三個熱電系數(shù)可以通過開爾文（Kelvin）關(guān)系式聯(lián)系起來：(3-4a)(3-4b)T為絕對溫度。從上兩項(xiàng)關(guān)系式可導(dǎo)出單一材料的Seekeck系數(shù)和Thomson系數(shù)的關(guān)系：(3-5)從該關(guān)系式看出，如果知道Thomson系數(shù)，就可以通過積分得到的單一材料的Seebeck系數(shù)REF_Ref1119\r\h[11]。2.3溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)、材料的選擇2.3.1溫差片結(jié)構(gòu)介紹熱電模塊（TEM）是基于塞貝克效應(yīng)構(gòu)建的，結(jié)合特殊的薄膜技術(shù)和類似于MEMS的芯片制造技術(shù)而制造出的一種半導(dǎo)體發(fā)電裝置。這種裝置具備體積小巧、反應(yīng)迅速、維護(hù)成本低、運(yùn)行周期長、壽命持久，并能自我維持供電的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。熱電模塊的主要部分構(gòu)成包括：基板、電極、PN結(jié)、密封層和輸出線。（1）基板：作為與外界直接接觸的部分，基板不僅需要隔離內(nèi)外環(huán)境，還必須具備良好的絕緣性、高導(dǎo)熱性、足夠的耐壓強(qiáng)度和硬度。目前市場上常用的基板材料主要是氮化鋁、氧化鋁等陶瓷材料。（2）電極：電極的主要功能是連接單個P極和N極，相鄰的PN結(jié)以及PN結(jié)與外部引線，因此對電極的導(dǎo)電性有較高的要求，通常選用銅作為主要材料。同時，使用電阻較小的薄膜材料可以改善PN極與銅電極間的電接觸，并保持接口穩(wěn)定。（3）PN結(jié)：PN結(jié)一般是兩種塞貝克系數(shù)差異很大的半導(dǎo)體，其中P型材料塞貝克系數(shù)為正值，其內(nèi)部往往存在大量的空穴，且呈正電性。N電極選擇具有負(fù)值塞貝克系數(shù)的物質(zhì)，因?yàn)樗碾娮痈?，所以它是?fù)的。通過將P、N兩種材料串聯(lián)起來，使N型材料中的電子和空穴分別充當(dāng)載流子，利用溫差引起的電荷遷移、擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)熱-電轉(zhuǎn)化。PN結(jié)在溫差電場下極低的溫度電位（mv），為了獲得足夠的電勢差，必須通過多個PN結(jié)來實(shí)現(xiàn)。（4）密封層：通常使用耐高溫的硅膠進(jìn)行密封，以防外部雜質(zhì)進(jìn)入或影響模塊內(nèi)部的正常工作。（5）引線：引線通常采用聚四氟乙烯包裹的銅線，用于輸出模塊內(nèi)部生成能。圖2-3溫差片結(jié)構(gòu)和剖面圖2.3.2溫差片材料選取在選擇溫差發(fā)電器的選材中，采用了一個優(yōu)值Z作為評價材料特性的指標(biāo)。眾所周知，高塞貝克系數(shù)材料的熱電性質(zhì)一般都很好。（3-6）其中α為塞貝克系數(shù)，σ為電導(dǎo)率，k為熱導(dǎo)率。式中可以看出，優(yōu)值Z與塞貝克系數(shù)α的平方成正比關(guān)系，與電導(dǎo)率σ也成正比，與熱導(dǎo)率k成反比。優(yōu)值Z的單位為K-1，將其無量綱化后可得無量綱優(yōu)值ZT，其表達(dá)式如式。(3-7)式中：S2——功率因數(shù)；T——絕對溫度；k——電荷載流子導(dǎo)熱系數(shù)；碲化鉍（Bi2Te3）、碲化鉛（PbTe）和硅鍺（SiGe）三種材料優(yōu)值Z值相差較大，但是無量綱優(yōu)值ZT值較接近，碲化鉍（Bi2Te3）ZT<1.2，碲化鉛（PbTe）ZT值<1.1，硅鍺（SiGe）ZT值<0.9。三種不同的熱電材料適用的溫度范圍相差較大，其中碲化鉍（Bi2Te3）最適合的使用場景為溫度<260℃時，因此，碲化鉍（Bi2Te3）是低溫環(huán)境下最好的材料，常用于制冷環(huán)境中。碲化鉛（PbTe）是在溫度<700℃時，硅鍺（SiGe）為環(huán)境溫度<1000℃時。在發(fā)動機(jī)余熱回收的實(shí)際場景中，適合采用碲化鉍（Bi2Te3）或碲化鉛（PbTe）作為最佳熱電材料。并對其在各種情況下的適用性進(jìn)行了評價。本論文以內(nèi)燃機(jī)排氣余熱為熱源，以溫差發(fā)電為研究對象。一般情況下，引擎的能量利用率只有20%到40%，與之相比，柴油引擎可以達(dá)到50%。引擎排出的尾氣屬于低溫，在373-673K之間。目前，我國中、低品位余熱的利用多采用溫差發(fā)電和有機(jī)朗金循環(huán)。針對這一難題，本項(xiàng)目擬采用小規(guī)模溫差發(fā)電技術(shù)，對廢熱進(jìn)行高效利用。同時，針對內(nèi)燃機(jī)排氣余熱資源的高效利用，本項(xiàng)目提出一種新型熱電材料Bi2Te3。表2-1不同溫度不同熱電材料ZT值類別熱電材料最佳溫度范圍（K）ZT值高溫（700-1000K）COSb3(N型）650-11000.9PbTe（N型）600-8500.8SiGe(N型)＞10000.9Zn4Sb3(P型)＞6001.4CeFe4Sb12(P型)＞8501.5TAGS(P型)650-8001.3Mg2Si(N型)6451.1中溫（400-700K）Tl9BiTe6(P型)＞4001.3Bi2Te3(N型)＜3500.7低溫（300-400K）Bi2Te3(P型)＜4501.1(Bi,Sb)2Te3(N型)3751表2-2TEG1-12708，碲化鉍模塊特征參數(shù)模塊尺寸（mm）PN結(jié)尺寸（mm）熱電堆（對）開路電壓（V）最大輸出功率（W）40×40×3.41.4×1.4×1.61277.610.8最高工作溫度（K）瞬態(tài)電阻（Ω）6232.042.4余熱發(fā)電理論模型熱電發(fā)生器的熱能轉(zhuǎn)換性能評價指標(biāo)為輸出功率，熱電轉(zhuǎn)換效率，由于發(fā)動機(jī)尾氣排出空間相對較小，因此，需要采用微型發(fā)電機(jī)，其性能指標(biāo)主要有質(zhì)量（體積）比功率（或被稱作輸出能量密度），采用如下圖的布置方式，但是考慮到計(jì)算的簡便，故一般采用單個一對的電偶臂進(jìn)行簡單計(jì)算，簡化的理想模型包括三大部分：導(dǎo)熱覆蓋基板、導(dǎo)流層和電偶臂，電偶臂兩側(cè)溫差不同，由于塞貝克定理的存在，回路中產(chǎn)生電流?？紤]到余熱發(fā)電技術(shù)當(dāng)前的限制，以及三元催化器所需的高溫過程才能確保有害氣體催化完成的更徹底，所以出現(xiàn)兩種方案，第一種方案是發(fā)電裝置布置在三元催化器后和一級消音器之前，但是考慮到此時溫度過高，而且氣體壓力以及流速的影響較大，所需實(shí)驗(yàn)條件較為苛刻，但是考慮到此時所包含的熱能較大，所以實(shí)驗(yàn)條件允許會進(jìn)行深入的研究設(shè)計(jì)，方案二是放置在這樣能夠保證熱量的回收以及三元催化器的正常工作。此時溫度大概保持在300℃，所消音器之后，經(jīng)過消音器工作之后，不僅噪音降低，而且溫度降低，大概在300℃左右，屬于中低品熱，所以考慮到溫度以及材料選擇，所以選擇碲化鉍材料。圖2-4余熱發(fā)電理論模型

3余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1熱電發(fā)生器結(jié)構(gòu)分析概括地說，當(dāng)前研究與應(yīng)用較為廣泛且較為成功的熱電發(fā)電裝置，主要有：微卷型、熱電堆、薄膜熱電發(fā)電等。我們將在此選取三種進(jìn)行介紹，然后對其性能和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，以確定我們所需的發(fā)電機(jī)種類，以便進(jìn)行研究、分析和優(yōu)化。圖3-1微卷型工作原理圖3-2微卷型3維的結(jié)構(gòu)微卷電熱發(fā)電機(jī)是一種小巧而精致的能源設(shè)備，其體積僅為12.5mm×12.5mm×5mm，采用高強(qiáng)度、耐高溫的氧化鋁陶瓷材質(zhì)打造。這種材料不僅確保了發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性和耐久性，還因其優(yōu)異的導(dǎo)熱性和良好的熱傳導(dǎo)性，能夠有效地將熱能轉(zhuǎn)化為電能。該電熱發(fā)電機(jī)的制造技術(shù)先進(jìn)，特別是采用Daestro技術(shù)，這一工藝允許工程師精確控制每個部件的尺寸和形狀，以達(dá)到最佳的性能表現(xiàn)。在設(shè)計(jì)上，它擁有一個直徑為0.075毫米的精細(xì)管徑，這個微小的管口負(fù)責(zé)將燃油和空氣巧妙地送入發(fā)電機(jī)內(nèi)部的流道中。當(dāng)燃油與空氣流經(jīng)泵口時，它們會被引導(dǎo)至SwissRoll的中心點(diǎn)，并隨即點(diǎn)燃，從而啟動連續(xù)燃燒過程。這個獨(dú)特的點(diǎn)火方式保證了燃油的充分燃燒，同時也提升了能量轉(zhuǎn)換效率，確保了產(chǎn)生的電能既穩(wěn)定又高效。這種微型發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)理念在于通過最小化的尺寸和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)最大化的能效和便攜性，使其成為那些尋求小型便攜式發(fā)電解決方案的個人或團(tuán)體的理想選擇。普林斯頓大學(xué)研究了包括氫、甲烷、甲醇和乙醇等燃料，研究表明在300℃以上時，氫氣和空氣的混合氣可以在較大范圍的比例下反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量從2瓦到12瓦，經(jīng)過熱電轉(zhuǎn)換，能點(diǎn)燃100mw的燈泡REF_Ref1900\r\h[12]。南加州大學(xué)也提出了一種新的方法，那就是用電化學(xué)微機(jī)處理技術(shù)（EFAB）來制造微型燃?xì)廨啓C(jī)。微熱發(fā)生器與換熱器被整合于一臺微型設(shè)備內(nèi)。他們?yōu)樾⌒晚?xiàng)目和中等規(guī)模項(xiàng)目制定了兩個項(xiàng)目，如下研究人員想要控制火焰燃燒的溫度，進(jìn)而模擬發(fā)動機(jī)尾氣溫度，主要的方法是通過控制氣體燃料的流入，溫度的測量方式采用的是利用熱電偶測定發(fā)生器，采用氣相色譜（GC）技術(shù)（0.13mm,3mm）對燃燒后的氣體（直徑0.13mm,3mm）進(jìn)行不同條件下的溫度范圍分析，對低速、高流速、短時滯留、長時間滯留等情況進(jìn)行研究，獲得燃燒過程的溫度范圍。實(shí)驗(yàn)研究表明，三維的SwissRoll結(jié)構(gòu)能減少熱量的損失。這是由德國斯圖加特大學(xué)研制的In-Plane微型熱電發(fā)生器，如下圖REF_Ref2994\r\h[13]圖3-3微型熱電發(fā)生器In-Plane微型熱電發(fā)電裝置采用IC薄膜技術(shù)，易于在半導(dǎo)體電偶臂間形成金屬導(dǎo)電導(dǎo)電層，因此與集成電路制造工藝相兼容。英國卡地夫大學(xué)熱電研究所相繼利用藍(lán)寶石表面的硅薄膜、石英表面的多晶薄膜，制備出一種用于起搏的微型溫差發(fā)電裝置。它的試驗(yàn)裝置尺寸是5mm*10mm、*0.45mm，在試驗(yàn)中包含了不同數(shù)目和大小的溫差電桿。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，每一種長450μm、寬450μm、100μm、0.4μm時，其塞貝克電壓均可達(dá)0.5mV/K。德國斯圖加特大學(xué)利用單晶硅制作工藝，研制出了一種新型的橋式微型熱電發(fā)電裝置。本項(xiàng)目擬以10μm厚度的硅膜為研究對象，采用10μm厚度的硅膜進(jìn)行摻雜，制備出長度500μm、寬度為7μm由美國噴氣動力實(shí)驗(yàn)室（JPL）研制的熱電堆式熱電發(fā)電器Cross-Plane。如下圖，此器件與普通的Cross-Plane型微熱電器相似在結(jié)構(gòu)上，Cross-Plane在結(jié)構(gòu)上和原理上與傳統(tǒng)的熱電制冷器是相似的，也是利用了熱電原理，產(chǎn)生熱電效應(yīng)，其原理就是本文所提到的塞貝克定理，即發(fā)電器兩端即冷端與熱端存在溫度差，產(chǎn)生電流，在此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，放棄了個體技術(shù)，采用了Bi2Te3合金材料，但與此同時，保持熱電臂面積和長度保持不變，熱電臂進(jìn)行了減小，保持了結(jié)構(gòu)占用空間較小，也提高了熱電功率單位體積的密度。在數(shù)萬個熱帶偶的作用下，無需大的溫差，即可產(chǎn)生大的電壓。事實(shí)證明，該種形式完全可以用于MEMS微系統(tǒng)，作為微型電源[14]。圖3-4熱電堆式結(jié)構(gòu)原理圖盡管JPL公司的Cross-Plane微型熱電發(fā)電裝置可以實(shí)現(xiàn)較高的功率密度，但在一些應(yīng)用領(lǐng)域，例如微型傳感器、放大電路等，仍需更小的功耗。此外，該Cross-Plane結(jié)構(gòu)還存在著一個缺陷，那就是熱電偶手臂間的金屬導(dǎo)電層很難制作。雖然發(fā)電器的結(jié)構(gòu)有很多，還有如自停止多晶硅金屬結(jié)構(gòu)微熱電發(fā)電器等等，經(jīng)過我們比對分析結(jié)果可知：微卷式熱電轉(zhuǎn)換器具有熱損失小，熱的優(yōu)點(diǎn)，但是也有加工困難，功率受到限制；而薄膜式相對比較成熟，但是同樣功率也是相對較低。所以熱電堆式的功率大，體積小，是理想的元件。所以我們熱電電源的核心部件選擇熱電堆式熱電發(fā)生器進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.2余熱發(fā)電器模塊的設(shè)計(jì)溫差發(fā)電器組件的水流道、氣流道及溫差發(fā)電偶臂等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該組件的總體形狀是為了最大化地利用熱能。我考慮了一些新的結(jié)構(gòu)，如：微卷曲（SwissRoll)，溫差電堆，以及薄膜熱電發(fā)電。微卷型（SwissRoll）熱電轉(zhuǎn)換器具有較低的熱損耗和較高的熱能利用效率，但由于其制造難度大，一直未被應(yīng)用。從這些數(shù)據(jù)中可以看到：在微加工方面，薄膜熱電發(fā)電技術(shù)比較成熟，并且尺寸也比較小，但其輸出功率普遍偏低（微瓦），一直沒有列入設(shè)計(jì)中。然而，由于熱電堆PN結(jié)與溫度場呈并聯(lián)關(guān)系，且兩對PN結(jié)之間存在著等效的溫度差，因此，本項(xiàng)目擬采用熱電堆型熱電發(fā)電器件為核心器件。在設(shè)計(jì)流道時，我考慮了“雙管式熱電發(fā)熱電器”和“方形熱電發(fā)熱電器”，前者的熱量利用率高于方形熱電發(fā)熱電器，但是在實(shí)踐中對制造的要求更高，維護(hù)也更不容易，而方形熱電發(fā)電器不僅有很高的熱利用率，在以后的使用中制作也很容易，維修也比較容易，因此最終在我和老師的討論下決定設(shè)計(jì)方形熱電發(fā)電器模塊。如圖為方形熱電發(fā)電器電偶臂的具體組成：圖3-5方形熱電發(fā)電器電偶臂具體組成3.2.1通氣管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在通風(fēng)管的外部，選擇由鋁合金（4.5%銅、1.5%鎂、0.6%錳）制成的連通通風(fēng)管，采用75%和95%鉛錫合金焊在通氣管的四角。該通氣管的凸起設(shè)計(jì)用于將廢氣分散引導(dǎo)至通風(fēng)管，防止廢氣阻塞，并能更好地將廢氣中的熱量通過銅片吸收并傳輸至熱傳導(dǎo)層，從而提升熱量利用率。兩級消音器間的距離是150mm，目前選型長度為100mm選擇螺紋連接，有以下優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單：螺紋連接通過螺紋的旋合來實(shí)現(xiàn)連接，無需復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工。連接可靠：螺紋連接可以提供良好的緊固力，確保連接的穩(wěn)定性和可靠性。裝拆方便：通過旋轉(zhuǎn)螺紋件，可以輕松實(shí)現(xiàn)連接和拆卸，提高了工作效率。因?yàn)楣艿赖闹睆綖?0mm，包含2mm壁厚，所以螺紋尺寸進(jìn)行如下選取，所以為了盡可能防止堵塞，增大兩端管道接口處的設(shè)計(jì)體積。所以兩端保證體積盡可能大。所以所形成的角度也就確定了。單個通風(fēng)接口處的面積：V=(S1+4S0+S2)*H/6V=57013mm2為了使發(fā)動機(jī)廢氣傳熱均勻，所以所選的發(fā)電器設(shè)計(jì)中心部分為通氣管道，眾多金屬中，考慮造價，壽命，和耐久度等一些列因素，最終選擇銅，同時，為提升傳熱面積，所以設(shè)計(jì)成井字形的肋板，其材料也取為銅，提高熱導(dǎo)率和熱利用率。考慮到排氣管距離底盤的距離是60cm，為防止發(fā)頂起失效，所以該裝置設(shè)計(jì)成尺寸和消音器相似，而祥菱微卡消音器的直徑為104mm，其中包括壁厚4mm，所以基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)方形發(fā)電器的邊長為104mm，其中壁厚為4mm又考慮到距離底盤的距離是60cm，滿足設(shè)計(jì)條件要求，距離車輪的距離為205cm，也滿足尺寸要求所以邊長選擇104mm合理。圖3-7通氣管道連接零件選擇通風(fēng)管道尺寸為3×3而不是2×2或4×4，主要基于以下幾個方面的考慮：首先，從空氣流動的角度來看，3×3的尺寸相較于2×2能夠提供更大的通風(fēng)面積，從而允許更多的空氣流過。這意味著在相同的壓力下，3×3的管道可以更有效地滿足通風(fēng)需求，確?？諝饬魍ǖ捻槙承浴Ｏ啾戎?，2×2的尺寸雖然可能在某些情況下適用，但其通風(fēng)面積較小，可能會限制空氣流動的速度和量，導(dǎo)致通風(fēng)效果不佳。特別是在需要高效通風(fēng)的場合，如大型商業(yè)空間或工業(yè)廠房，2×2的管道可能無法滿足需求。另一方面，雖然4×4的尺寸能夠提供更大的通風(fēng)面積，但這也可能帶來一些不必要的問題。首先，更大的管道尺寸意味著需要更多的材料和空間來安裝和維護(hù)，這可能會增加成本維修難度。其次，在某些應(yīng)用場景中，過大的管道尺寸可能導(dǎo)致氣流過于分散，降低了通風(fēng)效率。因此，選擇3×3作為通風(fēng)管道的尺寸，能夠在通風(fēng)效率、成本和施工便利性之間找到一個平衡點(diǎn)。它既能滿足大部分通風(fēng)需求，又不會過于浪費(fèi)資源或增加不必要的復(fù)雜性。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)具體的需求和條件來綜合考慮和選擇最合適的管道尺寸。3×3管道占用面積：4×104×2=832mm24×4管道占用面積：6×104×2=1248mm2通風(fēng)孔總面積：100×100=10000mm2多余面積占比：（1248-832）/10000=4.6%所以綜合考慮選用3×3的管道。圖3-8通氣管道3.2.2通水管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在通風(fēng)管道的外側(cè)，安裝了兩對大小不同但外形相同的水管，材質(zhì)是鋁合金（4.5%銅，1.5%鎂，0.6%錳），管道的組成部分包括兩個管子接頭，三個鋁合金板（兩個小的規(guī)格：182.8*20*2，一個大的：405.6*104*2）。管子的制造程序如下，用75%和95%的鉛錫合金焊在開了孔的小鋁合金板上，焊接的時候不會出現(xiàn)縫隙，這樣可以有效的防止漏水，再把大的鋁合金按圖紙折疊起來，用75%的鉛錫合金進(jìn)行焊接，最后進(jìn)行整體的焊接，最后再進(jìn)行水檢查，看看有沒有滲漏，要及時修復(fù)漏水的地方，才能保證日后的正常使用。圖3-9通水管道(要求不能漏水)3.2.3余熱發(fā)電器的設(shè)計(jì)發(fā)電電偶臂主要包括導(dǎo)熱覆蓋基板、導(dǎo)流層和電偶臂三部分。當(dāng)電偶臂兩端存在溫差時，P、N結(jié)兩種不同熱電材料將產(chǎn)生塞貝克（Seebeck）效應(yīng)，故而在回路中產(chǎn)生電流。圖3-11電偶臂的理論圖形溫差發(fā)電器應(yīng)該放置在冷源于熱源之間的位置，為了能夠接受兩側(cè)不同的溫度進(jìn)行發(fā)電，組成部分包括導(dǎo)熱覆蓋片，導(dǎo)流金屬片和電偶臂組成。所述熱電發(fā)電電偶臂的橫截面尺寸為3mm×3mm，高16.4mm，以及199對電偶臂對數(shù)。從理論上可以看出，所選擇的熱電材料具有較高的賽貝克系數(shù)，并且能夠承受較高的溫度（隨著溫差的增大，賽貝克（Seebeckvoltage）的升高。3.2.4校核過程t=t：設(shè)計(jì)壁厚Di：管道直徑S：許用應(yīng)力P：壓力t= 1.87mm＜2mm所以壁厚滿足要求壓力校核過程：考慮到流速變小，壓力變小，空間變大，所以滿足設(shè)計(jì)條件要求。3.3余熱發(fā)電器模塊的固定框架設(shè)計(jì)具體的零件選擇以及材料選取均已完成，完成裝配過程需要固定架使得通氣通水過程保持穩(wěn)定進(jìn)行，選取固定架材料是不銹鋼材料，這件設(shè)備對于其強(qiáng)度和堅(jiān)固性有著較高的標(biāo)準(zhǔn)，因此在組裝過程中，需要將內(nèi)部部件牢固地包裹起來。選用的螺絲和螺帽必須質(zhì)量上乘，以確保它們能夠提供足夠的鎖緊力，從而有效防止其他部件的連接部位發(fā)生松動，保證整個裝置可以穩(wěn)定可靠地運(yùn)作。為了使結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固耐用，還需在關(guān)鍵部位留出適當(dāng)?shù)目障?，這樣做不僅便于安裝，而且也有利于提高整體的散熱性能。所有這些細(xì)節(jié)都是為了確保該裝置能夠完美適應(yīng)并固定于車身之上，發(fā)揮出最佳的功能效果。圖3-12固定框架3.4余熱發(fā)電器模塊和固定框架裝配電絕緣導(dǎo)熱層、導(dǎo)流層通水管道導(dǎo)熱肋板通氣管道電偶臂緊定框架電絕緣導(dǎo)熱層、導(dǎo)流層通水管道導(dǎo)熱肋板通氣管道電偶臂緊定框架圖3-13余熱發(fā)電器模塊裝配的主要要求是：各個部件能夠緊密的結(jié)合，有良好的工作條件，防止出現(xiàn)過多間隙導(dǎo)致電阻增大。3.5余熱發(fā)電器模塊之間的連接部件在設(shè)計(jì)組件之間的連接時，我特地選用了優(yōu)質(zhì)的不銹鋼編織管。RL系列的金屬軟管，由于材料的優(yōu)異，結(jié)構(gòu)上的特性，是我的第一選擇。膠管的內(nèi)壁由三元乙丙橡膠（EPDM）制成，具有優(yōu)異的抗高溫、抗壓等性能。這就意味著，這種軟管可以在惡劣的環(huán)境中工作，并且具有良好的穩(wěn)定性，從而保證了系統(tǒng)的高效率、高穩(wěn)定性。軟管外層采用特殊的不銹鋼絲編織而成，不僅可以抵御外界環(huán)境的侵蝕，而且可以確保管路內(nèi)部的壓力平衡和密封性。材質(zhì)的選擇上，本人有許多：銅芯線、鋁線、不銹鐵絲、銅芯線、鋁線、非繡鋼板?；诮?jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的考慮，我現(xiàn)在的設(shè)計(jì)主要是銅心鋅線帽衫和無繡鐵絲毛衣。至于金屬管的長度，我會做相應(yīng)的微調(diào)，以滿足實(shí)際需要。在我的設(shè)計(jì)中，我通常會選用比較短的一段，因?yàn)樗梢怨?jié)約大量的空間，也可以更好的滿足安裝地點(diǎn)的要求。此外，本項(xiàng)目還將在排氣管路中，對管路進(jìn)行一定數(shù)量的接箍，以保證管路與排氣管路的良好對接。本設(shè)計(jì)對金屬軟管的壓力并無特殊要求，所以我們可以適當(dāng)?shù)胤潘梢恍毫Α＿@對降低管道的成本很有好處，因?yàn)榻档土斯艿赖膲毫Γ档土斯艿赖脑靸r，為工程節(jié)約了大量的費(fèi)用。經(jīng)過精密的計(jì)算，選用適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)，保證了該設(shè)備在經(jīng)濟(jì)上的可行性及長期的耐久性REF_Ref2543\r\h[15]。圖3-14金屬軟管選購表REF_Ref2422\r\h[16]

4余熱發(fā)電系統(tǒng)的理論計(jì)算4.1余熱發(fā)電系統(tǒng)溫度梯度的計(jì)算表4-1計(jì)算參照數(shù)據(jù)TEG1-12708型溫差發(fā)電片參數(shù)表模塊特征參數(shù)模塊尺寸（mm）PN結(jié)尺寸（mm）熱電堆（對）開路電壓（V）最大輸出功率（W）40×40×3.41.4×1.4×1.61277.610.8最高工作溫度（K）瞬態(tài)電阻（Ω）6232.04圖4-1電偶臂剖面圖基于以上數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。一對PN電偶臂熱電發(fā)電器電絕緣導(dǎo)熱覆蓋片、導(dǎo)流銅片和焊料層熱導(dǎo)率分別為：(4-1)REF_Ref1328\r\h[17]容易推得總的熱導(dǎo)率為：(4-2)[18]式中：λc1——λc2——λc3——lc1——lc2——lc3——Ac1——Ac2——Ac3——Kc1——Kc2——Kc3——導(dǎo)熱覆蓋基板的材料是氧化鋁陶瓷，有效熱導(dǎo)率λc1（20W/m.℃～30W/m.℃），這里設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)選取λc1=20W/m.℃導(dǎo)熱覆蓋基板厚度：lc1=2導(dǎo)熱覆蓋基板的面積：Ac1=100mm×100導(dǎo)流片的材料是銅,有效熱導(dǎo)率λc2=401W/m.℃REF_Ref1505\r\h[14]導(dǎo)流片厚度：lc2=2導(dǎo)流片面積：Ac2=2mm×4mm電偶臂材料是Bi2Se3，有效熱導(dǎo)率λc3電偶臂厚度：lc3=1.6電偶臂面積：Ac3=3mm×3所以：=100W/℃=1.6W/℃=0.78W/℃=0.62QUOTEQUOTE50?8.421?17.650?8.421+50?17.6+8.421?17.650?8.421?17.650?8.421+50?17.6+8.421?17.6W/℃傅立葉效應(yīng)設(shè)：熱端溫度啟始為300℃冷端溫度為20℃所以：=Ka?T2=0.62W/℃×280℃=QK1=Kc1?T1=Qk2=Kc所以：?T1=1.74℃QUOTE?T2=108.5℃QUOTE?T3=280℃4.2單個電偶臂相關(guān)計(jì)算因?yàn)榇嬖跍夭?，所以熱電效?yīng)可以產(chǎn)生電流。電偶臂從熱源吸收的熱量為帕爾特?zé)帷⒔苟鸁岷蛡鲗?dǎo)熱三部分之和REF_Ref1573\r\h[20]即：QQL式中：η——發(fā)電效率；P——輸出到負(fù)載上的電能；I——回路中產(chǎn)生的電流；Qh——熱端的熱流放出的熱量Ql——RL——負(fù)載電阻；R——電偶臂的內(nèi)阻；αNP——K——熱傳導(dǎo)系數(shù)；T1/——T2/——由電流回路，消除未知量電流I，可以得到發(fā)電器的輸出功率P為：P=αNP2由上述三式可得到熱電發(fā)電器的轉(zhuǎn)換效率為:η=I2R上述公式中，內(nèi)阻R為P、N半導(dǎo)體電偶臂的電阻，其計(jì)算公式為:R=ρNL式中：ρN——NLN——NAN——NρP——PLP——PAP——PPN＝ρP＝5L/A＝0.55mm-1αNPR＝0.00275ΩT1'＝300℃－0.11℃－2.53℃＝297.36℃T2'＝297.36℃－276.36℃+20℃＝41℃T1'－T2'＝256.36℃當(dāng)Rl＝R時，功率最大所以：P=αNP2(共199對PN結(jié)所以總的功率P=258.6mw×199=51.5w4.3余熱發(fā)電系統(tǒng)的功率與效率的理論計(jì)算熱電發(fā)電器電偶臂截面尺寸為3mm×3mm，高度為16.4mm，電偶臂對數(shù)199對。選擇開始水溫為：20℃水的流量為：q1＝1v?s選擇尾氣溫度為：300℃尾氣的流速為：v2＝3m/s水的比熱C1＝4200j/kg?℃尾氣的比熱C2=1003j/kg水的密度ρ1＝1000kg/QUOTEm3m3尾氣的密度ρ1＝1.29kg/QUOTEm3m3假設(shè)：忽略熱的損耗，則Q水＝Q氣Q=C?M?ΔT＝C?ρ?V?ΔT=C?ρ?v?s?t?ΔT設(shè)：S水道＝S氣道t1＝則CV1=c現(xiàn)在4個模塊組成余熱發(fā)電系統(tǒng)QUOTE∴P=QUOTE4×199×258.6mw=206WQUOTEQ熱=C×QUOTEMQUOTE×?T=QUOTECQUOTE×ρQUOTE××VQUOTE×?T=CQUOTE×ρQUOTE××vQUOTE××s（通氣管道截面積）×QUOTE×tQUOTE××?T選擇尾氣溫度為：300℃尾氣的比熱C2=1003j/kg?℃尾氣的密度ρ1＝1.29kg/m3QUOTEm3尾氣的流速為：V2＝1m/st=QUOTEsv=3×0.104m1m/sQUOTE=0.104ss（通氣管道截面積）=0.1QUOTE××0.1=0.01QUOTEm2m2?T=200℃QUOTE∴QUOTEQ熱=CQUOTE×MQUOTE×?T=CQUOTE×ρQUOTE××VQUOTE×?T=C×QUOTEρ×QUOTE×vQUOTE××s×QUOTE×tQUOTE××?TQUOTE==296.1WQUOTE∴QUOTEη=PQ熱=QUOTE2061W269.1W=77%通過計(jì)算電偶臂的功率以及轉(zhuǎn)換效率以及相關(guān)元件的溫度傳遞過程，進(jìn)而得到整體的余熱發(fā)電系統(tǒng)的功率和傳熱效率排出尾氣溫度計(jì)算尾氣溫度是熱能轉(zhuǎn)換成電能后所保持的溫度η=1?Tout

5結(jié)論本畢業(yè)設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)是開發(fā)和設(shè)計(jì)一種高效、環(huán)保的熱電系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在將汽車尾氣中的余熱轉(zhuǎn)化為可利用的電能，從而提高汽車在行駛過程中的能源利用效率。我們深入研究了熱力學(xué)和電力學(xué)的基本原理，并結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)和材料，以實(shí)現(xiàn)對汽車尾氣中熱量的高效回收利用。首先，對汽車尾氣中的熱量特性進(jìn)行了詳盡的研究。確保了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。接下來，我們設(shè)計(jì)了一個高性能的熱交換器系統(tǒng)，其主要功能是從汽車尾氣中提取余熱并將其傳遞給隨后的熱電轉(zhuǎn)換器。這個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮了材料的選擇、傳熱過程的效率、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性等多個因素。我們優(yōu)化了熱交換器的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部參數(shù)，保證了其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性。在熱電轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方面，我們采用了尖端的熱電材料和先進(jìn)的技術(shù)，使得熱量能夠直接轉(zhuǎn)化為電能。這種直接的能量轉(zhuǎn)換方法不僅提高了能量的利用效率，也大大減少了轉(zhuǎn)換過程中可能產(chǎn)生的損失。此外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們還特別關(guān)注了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，確保了整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，不會因?yàn)楣收隙绊懫嚨恼ｑ{駛。最終，經(jīng)過一系列嚴(yán)格的性能評估和比較分析，我們得出了汽車尾氣余熱熱電系統(tǒng)在能源利用效率以及環(huán)境保護(hù)方面的顯著優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)不僅能夠?yàn)槠囂峁╊~外的電力供應(yīng)，而且還能有效降低汽車的碳排放量，這對于節(jié)能減排具有重要意義?？偟膩碚f，本畢業(yè)設(shè)計(jì)圓滿地實(shí)現(xiàn)了將汽車尾氣余熱進(jìn)行高效回收利用的目標(biāo)。其中回收的效率達(dá)到77%，除此之外排出氣體的溫度是69℃，溫度降低了240℃，所以整體的設(shè)計(jì)過程是合理的，我們的技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為促進(jìn)未來汽車能源技術(shù)的發(fā)展，以及推動環(huán)境保護(hù)做出了重要貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]李寶德，隆瑞，劉偉，劉志春.廢熱溫差發(fā)電器驅(qū)動的電化學(xué)制冷系統(tǒng)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2020，38（12）：2515-2521.[2]TaylorAMKP.Sciencereviewofinternalcombustionengines[J].EnergyPolicy,2008,36(12):4657