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一种发动机余热发电装置及其发电模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发动机余热发电模块，包括气体管道、热电转换器层和冷却器层，在气体管道与热电转换器层之间还设有储能器层。本发明同时公开了一种发动机余热发电装置，至少包括两级发动机余热发电模块；相邻两级发动机余热发电模块的气体管道、热电转换器层、冷却器层为相通。发动机余热发电模吸收尾气余热，在其内部产生温度差，热电转换器利用温度差完成发电功能。使用本发明可以提高热电转换器的热电转换效率，使用方便，制造简单。

Description

一种发动机余热发电装置及其发电模块
技术领域
本发明属于发动机余热的再利用技术领域，具体涉及一种发动机余热发电装置及其发电模块。
背景技术
随着不可再生的石油能源价格的不断攀升和环境污染不断扩大，环保和节能已成为当今社会发展的主题。调查研究表明，发动机燃料燃烧所发出的能量只有部分被有效利用，柴油机的能量利用率一般为34％～38％，汽油机的能量利用率一般为25％～28％，其它的能量被排放到发动机体外，仅由排出的尾气带走的热量就占发动机中的燃料所产生热量的30％～45％，而发动机循环冷却水带走的热量则占整个发动机燃料能量的15％～25％。在城市道路中，由于汽车不断的变速及刹车，这导致余热大量排放现象尤为明显，能量浪费严重。
现有的热电转换器一般承受的最大温差在200度左右，最佳温差范围一般为60度至100度，如果温差过大，会影响热电转换器热电转换效率。例如，公开号为cn1794557a的中国专利公开了一种发动机排气管余热发电方法及其发电装置，该发明专利的发电方法是直接利用尾气的温度与发电装置周围环境温度之间的温度差，使热电转换器完成发电功能；发电装置的管壁是热电转换器主体，热电转换器的高温端直接放入排气管内与尾气接触，低温端与周围环境接触。使用该发明专利的余热发电方法，当发动机高速运转时，对热电转换器提供的热量就会过多，热电转换器高温端与低温端之间的温差太大，超出了最佳温差范围，使得热电转换器不能获得最佳的热电转换效率；当发动机空转或者怠速时，发动机排出的尾气热量不足，不能满足热电转换器的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种发动机余热发电装置及其发电模块。在发动机高速运转时，一部分热量用于热量转换器发电，将多余部分的热量储存起来；在发动机空转或者怠速时，将储存起来的热量释放出来，提供给热电转换器发电，保证发电需要。
为实现本发明的目的，采用下述的技术方案：
一种发动机余热发电模块，包括气体管道、热电转换器层和冷却器层，在气体管道与热电转换器层之间还设有储能器层。
进一步的，热电转换器层和冷却器层可以至少为两层，第一层热电转换器层位于储能器层与第一层冷却器层之间，其余的热电转换器层位于相邻的两层冷却器层之间；热电转换器层和冷却器层层数相等。
进一步的，所述的气体管道为N边形，N至少为3，储能器层、热电转换器层、冷却器层分别包括N个与气体管道壁相匹配的储能器层单元、冷却器层单元、热电转换器层单元；相邻的冷却器层单元的上壁之间和下壁之间分别通过连接板连接，形成与冷却器层相通的通道。
进一步的，所述气体管道内设有格栅，格栅沿垂直于气体管道中尾气流通方向分布，用于增加气体管道壁的吸热面积。
进一步的，所述储能器层内壁上设有格栅；最外层冷却器层的外表面设有散热片。
进一步的，在气体管道的尾气进口端为喇叭状进口端，喇叭口朝向气体管道的入口。
一种发动机余热发电装置，至少包括两级所述的发动机余热发电模块，相邻两级发动机余热发电模块的气体管道、热电转换器层、冷却器层为相通。
进一步的，相邻两级发动机余热发电模块的气体管道的横截面面积从尾气进口端到尾气出口端依次递减，相应地，相邻两级发动机余热发电模块的储能器层的横截面面积依次递增。
进一步的，相邻两冷却器层的相连接端部设有定位部分。
使用本发明的优点是：通过在热电转换器层和气体管道之间设置储能层，可以储存发动机高速运转时多余的热量，在发动机空转或怠速时可以释放出储存的能量，这样可以提高能量的利用率，也可以控制热电转换器层高、低温端之间的温度差，同样可以提高热电转换效率。当发动机处于满负荷工作时，发动机排出的尾气中的热量过多，其中一部分热量储存在储能器层中，另一部分用于热电转换器发电；当发动机空转或者怠速时，发动机排出的尾气中的热量不足，储存在储能器层中的热量被释放，用于热电转换器发电。由于发动机排出的尾气温度过高，储能器层不仅可以作为多余热量的缓存装置，还可以有效降低热电转换器层高温端的温度，使得热电转换器高温端与低温端之间的温度差不至于太大，提高热电转换效率，维持温度差的相对恒定，起到发电缓冲作用。
另外，通过设置多层热电转换器层和冷却层，可以减小热电转换器高温端与低温端之间的温度差，把温度控制在一个合适的范围，提高热电转换效率。
附图说明
下面，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
图1为本发明一种实施例的发动机余热发电模块的主视图；
图2为本发明一种实施例的发动机余热发电模块的左视图；
图3为本发明一种实施例的第一层冷却层单元主视剖面图；
图4为本发明一种实施例的第二层冷却层单元主视剖面图；
图5为本发明一种实施例的储能器层单元主视剖面图；
图6为本发明一种发动机余热发电装置实施例的结构示意图。
具体实施方式
参照附图1至图5。本实施例的发动机余热发电模块I包括气体管道10、热电转换器层和冷却器层，其中，热电转换器层包括第一层热电转换器层21和第二层热电转换器层22，冷却器层包括第一层冷却器层31和第二层冷却器层32，在气体管道与第一层热电转换器层之间还设有储能器层40。第一层热电转换器层21位于储能器层与第一层冷却器层31之间，第二层热电转换器层位于第一层冷却器层31和第二层冷却器层32之间。
为了增加气体管道壁的吸热面积，可以在气体管道10内设置网格或肋板等格栅11，格栅11沿垂直于气体管道10中尾气流通的方向分布，尾气流经气体管道10时，格栅11能与尾气充分接触，并将捕获的热量传递到与格栅11相连的气体管道壁上。在气体管道10的尾气进口端12为喇叭状进口端，喇叭口朝向气体管道10的入口，这样的设计是为了防止发动机产生背压，即保证气体管道10的有效空气流通横截面积大于发动机排气口的横截面积。
所述第一层热电转换器层21和第二层热电转换器层22内设有多个均匀分布的热电转换器23。热电转换器层的高温端朝向气体管道10，以使得朝向气体管道10一侧端面的温度高于另一侧端面的温度。第一层热电转换器层21的热电转换器可以采用高温级热电堆式热电转换器，高温级热电堆式热电转换器采用高温热电材料制造，例如ZnSb、PbTe等；第二层热电转换器层22的热电转换器可以采用低温级热电转换器，低温级热电转换器可以采用热电堆等结构，低温级热电转换器采用Bi2Te3、Bi1-xSbx等合金材料制造。
所述第一层冷却器层31和第二层冷却器层32的通道内流通有冷却液体介质，通道的两端通过管道连接冷却源。第一层冷却器层31内冷却液体介质的流动方向与尾气的流动方向相反，能带来更好的冷却效果，因此，本实施例第一层冷却器层31的冷却液体介质进口端38位于尾气出口端13一侧，以使得第一层冷却器层31内冷却液体介质的流动方向与尾气的流动方向相反。第二层冷却器层32的外表面可以设有散热片34，以更好地散热。
第一层冷却器层31通道内的冷却液体介质可以为发动机冷却水，第二层冷却器层32通道内的冷却液体介质可以为常温水，常温水中配制有低温相变材料，以保证水温维持在一个较低的温度范围，适于添加到常温水中的低温相变材料主要有KF、NH4SCN、NaF、NH4HCO3等无机水合盐，以及冷冻的冰水混合物等相变贮能材料。
所述的气体管道为N边形，N至少为3。本实施例的气体管道为四边形，储能器层40、热电转换器层、冷却器层分别包括四个与气体管道壁相匹配的储能器层单元41、冷却器层单元33、热电转换器层单元；相邻的冷却器层单元33的上壁之间和下壁之间分别通过连接板35连接，形成与冷却器层相通的通道36。
所述储能器层单元41内部为密封的空腔，空腔内装满高温高贮热相变材料，所谓高温高贮热相变材料主要为高相变潜热的固-液相变材料，例如高温结晶水合盐、AlCl3、LiNO3、Na2O2等，为增加高温高贮热相变材料自身的导热性，可在高温高贮热相变材料中添加高导热性能的金属粉末，例如银粉、铜粉或者铝粉，或者添加耐热性能较高的硅油。进一步的，储能器层单元41内壁上可以设有肋板42，也可以设有网格等其它结构，这样的设计是为了增加高温高贮热相变材料在储能器层单元41内的受热面积。
图1-5所示的发动机余热发电模块可以作为发动机余热发电装置使用。本发明的发动机余热发电装置还可以由至少两级图1-5所示的发动机余热发电模块组装而成。如图6所示，本实施例的发动机余热发电装置包括四级发动机余热发电模块I，相邻两级发动机余热发电模块可以通过焊接或者通过夹具夹持固定在一起。进一步的，相邻两冷却器层的相连接端部设有定位接头，相邻两级发动机余热发电模块I通过该定位接头37定位。相邻两级发动机余热发电模块的气体管道、热电转换器层、冷却器层为相通。
相邻两级发动机余热发电模块I的气体管道10的横截面面积从尾气进口端12到尾气出口端13依次递减，相应地，相邻两级发动机余热发电模块I的储能器层40的横截面面积依次递增。这样的设计是因为前一级发动机余热发电模块I吸收尾气热量后，尾气温度降低导致体积收缩，为了保证尾气流速的稳定，有必要将下一级发动机余热发电模块I的气体管道10的横截面面积适当减小。
本发明实施例的工作原理是：发动机排出的尾气从尾气进口端12进入发动机余热发电装置，流经气体管道10，气体管道的格栅及管道壁吸收尾气中的热量，并将热量转移到储能器层40中，同时，由于第一层冷却器层31的冷却作用，使得第一层热电转换器层21的热电转换器高温端温度大于低温端温度，在温差的作用下，热电转换器完成发电功能；第二层热电转换器层22利用其自身的温差，对第一层冷却器层31的余热进一步发电。

Claims (10)

1.一种发动机余热发电模块，包括气体管道(10)、热电转换器层和冷却器层，其特征在于：在气体管道(10)与热电转换器层之间还设有储能器层(40)。
2.如权利要求1所述的发动机余热发电模块，其特征在于：所述热电转换器层和冷却器层至少为两层，第一层热电转换器层(21)位于储能器层(40)与第一层冷却器层(31)之间，其余的热电转换器层位于相邻的两层冷却器层之间；热电转换器层和冷却器层层数相等。
3.如权利要求2所述的发动机余热发电模块，其特征在于：所述的气体管道(10)为N边形，N至少为3，储能器层(40)、热电转换器层、冷却器层分别包括N个与气体管道壁相匹配的储能器层单元(41)、冷却器层单元(33)、热电转换器层单元；相邻的冷却器层单元(33)的上壁之间和下壁之间分别通过连接板连接，形成与冷却器层相通的通道。
4.如权利要求2所述的发动机余热发电模块，其特征在于：所述气体管道(10)内设有格栅，格栅沿垂直于气体管道(10)中尾气流通方向分布，用于增加气体管道壁(10)的吸热面积。
5.如权利要求3所述的发动机余热发电模块，其特征在于：所述气体管道(10)内设有格栅，格栅沿垂直于气体管道(10)中尾气流通方向分布，用于增加气体管道壁的吸热面积。
6.如权利要求5所述的发动机余热发电模块，其特征在于：所述储能器层(40)内壁上设有格栅；最外层冷却器层的外表面设有散热片(34)。
7.如权利要求6所述的发动机余热发电模块，其特征在于：在气体管道(10)的尾气进口端(12)为喇叭状进口端，喇叭口朝向气体管道(10)的入口。
8.一种发动机余热发电装置，其特征在于：至少包括两级如权利要求1-7所述的发动机余热发电模块，相邻两级发动机余热发电模块的气体管道(10)、热电转换器层、冷却器层为相通。
9.如权利要求8所述的发动机余热发电装置，其特征在于：相邻两级发动机余热发电模块的气体管道的横截面面积从尾气进口端(12)到尾气出口端(13)依次递减，相应地，相邻两级发动机余热发电模块的储能器层(40)的横截面面积依次递增。
10.如权利要求8或9所述的发动机余热发电装置，其特征在于：相邻两冷却器层的相连接端部设有定位部分。
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