CN108880332B - 一种具有气流状态自适应功能的热电发电装置及发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有气流状态自适应功能的热电发电装置及发电方法，该热电发电装置主要包括电控模块、进气端盖、导流模块、集热箱体、热电模块、散热片及排气端盖，该装置可以用于高温气流的废热回收：热气流从进气端盖流入，经导流模块引导后扩散至集热箱体，集热箱体受到热气流的加热温度升高，成为热电模块的热源，热电模块以集热箱体壁面作为热源，以散热片为冷源，在两个工作面形成温差并进而产生电能，导流模块受到电控模块的控制，其导流板的角度可以调节，电控模块根据温度和压力信号，以合理的导流角度引导气流并控制其在集热箱体内的流动状态，实现了气流热量的合理利用，保证装置在不同工况下都能保持较高的发电功率。
Description
技术领域
本发明属于能量回收利用技术领域，具体涉及一种具有气流状态自适应功能的热电发电装置及发电方法。
背景技术
随着世界范围内的能源紧缺，各国正致力于节能减排工作，力争可持续的发展。基于这样的能源现状，废热利用成为了日趋重要的节能方向，加强工业废热的回收利用，对于节能减排具有重要意义。废热根据温度可以划分为低、中、高温三类废热，其中，我国的低温废热(350℃以下)产出比例最高，大约为60％。低温废热的主要来源包括工业生产中的高炉废气和汽车行车过程中排放的尾气等。
低温废热的利用难度大，产量又巨大，而随着温差电材料的不断进步，利用热电发电技术进行低温气体废热的回收具有较好的工程应用价值和前景。
中国专利(CN204810178U)公开了一种利用锅炉尾部烟道烟气余热的热电发电装置，该装置通过有P型和N型半导体以及导流板构成的热电发电回路，回收烟气中的余热。但该装置的安装需要在烟气通道上开孔，进而将半导体材料穿透烟气通道，此种结构将对烟气管道的密封造成影响，甚至引起烟气泄露和噪声等问题。
中国专利(CN204425205 U)公开了一种汽车尾气温差发电装置，该装置在排气管道中加入通心棱柱，通过在通心棱柱上布置温差发电片来回收热能，应用发动机冷却液对装置进行冷却以增大温差发电片的两侧温差；但是通心棱柱状的管道设计有增大排气阻力的可能，而该装置无法动态调节以适应发动机的运行状态。
发明内容
本发明提供一种具有气流状态自适应功能的热电发电装置及发电方法，该装置能够对热气流进行自适应调节。根据不同的气流温度和压力，该装置可以通过导流机构引导热气流加热不同数量的热电模块，一方面保证热电模块高效工作，另一方面防止热电模块过热损坏。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种具有气流状态自适应功能的热电发电装置，包括进气端盖、排气端盖、集热箱体、热电模块、散热片、储能设备、导流模块和电控模块，所述进气端盖、排气端盖与集热箱体连接构成装置的外壳体，所述进气端盖和排气端盖均为由空心棱台和空心圆柱体焊接而成的漏斗状结构，可与排气管道相连，所述集热箱体由上、下两块盖板和两侧的集热栅片连接构成，集热栅片的平整面上均匀分布若干热电模块，每个热电模块的一侧均安装有散热片，散热片与集热栅片连接并紧固；热电模块还与储能设备相连；所述导流模块由导流板、中心轴和轴承座构成，所述导流板与中心轴固连，且导流板所在面通过中心轴轴线，所述中心轴通过轴承座固定于进气端盖上，且中心轴垂直穿透进气端盖并部分伸出进气端盖，所述中心轴由电控模块控制而转动，所述电控模块包括相互连接的ECU和驱动电机，所述驱动电机的电机轴与中心轴伸出进气端盖部分同轴固连，ECU能根据气流状态计算最优导流转角；该热电发电装置还包括分别安装于进气端盖和排气端盖空心圆柱部分的进气压力传感器和排气压力传感器，以及安装于进气端盖侧面的温度传感器。
上述方案中，所述各个热电模块间的拓扑结构为：每一行热电模块串联为一组，各组热电模块之间并联，然后与储能设备相连，所述储能设备可以为蓄电池或超级电容器。
上述方案中，所述导流板的转角取值范围为0°-90°，设计成以10°为间隔的10个离散点集合，即0°、10°、20°……90°。
上述方案中，所述热电模块使用具有良好导热性能的粘剂粘贴于集热栅片的平整面，所述热电模块与散热片接触的工作面上涂覆具有良好导热性能的粘剂。
一种具有气流状态自适应功能的热电发电方法，其特征在于，包括步骤：
S1，热气流从进气端盖流入，温度传感器、进气压力传感器和排气压力传感器分别监测气流温度和压力状况后，将信号传至ECU，ECU根据气流状态计算最优导流转角；
ECU根据气流状态计算最优导流转角的步骤为：
S1.1：ECU采集并存储不同气流状态和导流角度下的热电发电功率数据组：data(T、ΔP、θ、Pout)，其中T为气流温度，ΔP＝P1-P2为进出口气体压差，P1进口处压力，P2为出口处压力，θ为导流转角，Pout为热电发电装置的输出功率；
S1.2：每采集到N组数据组后，ECU调取最近的N组数据，进行动态功率输出方程Pout＝f(T、ΔP、θ)的拟合，拟合采用的方法可以是三次插值拟合，当使用该方法时，动态功率输出方程将被拟合为如下形式：
Pout＝Σaijk·Ti·ΔPj·θk
其中i，j，k＝0，1，2，3且i+j+k≤3；aijk为动态方程参数，该参数将通过BSO智能算法识别得到；拟合方法还可以为线性拟合、最小二乘法拟合；
S1.3：ECU调用当前时刻的进气温度Tnow、前一时刻的进气温度Tbef、当前时刻的进出口气体压差ΔPnow和前一时刻的进气温度ΔPbef，计算热电发电装置的功率变化因数γ，计算公式为：
其中：Δt是数据采样时间间隔，当γ大于等于零时，表明热电发电装置的输出功率呈上升趋势，反之，呈下降趋势；
S1.4：判断是否需要进行导流转角调节：当γ≥0时，无需对导流转角进行调；当γ＜0时，应对导流转角进行调节；为防止导流板频繁动作引起过高能耗，设置调节门限γ0，当|γ|≥γ0时，判定需要调节导流转角，此时进入S1.5；
S1.5：对当前导流转角θ进行调节：分别计算在当前进气温度Tnow和进出口压差ΔPnow下，对导流转角调节10°和-10°后的发电系统输出功率，即f(Tnow、ΔPnow、θ+10°)和f(Tnow、ΔPnow、θ-10°)，分别记为f(θ+10°)和f(θ-10°)，将当前时刻的发电系统输出功率f(Tnow、ΔPnow、θ°)记为f(θ)，并作如下判定：
当f(θ+10°)＞f(θ)且f(θ-10°)＜f(θ)，则导流转角调节至θ+10°；当f(θ+10°)＜f(θ)且f(θ-10°)＞f(θ)，则导流转角调节至θ-10°；当f(θ+10°)＞f(θ)且f(θ-10°)＞f(θ)，则作进一步判断，当f(θ+10°)＞f(θ-10°)，则导流转角调节至θ+10°，反之，导流转角调节至θ-10°；当f(θ+10°)＜f(θ)且f(θ-10°)＜f(θ)，表明当前状态下通过调节导流转角无法获得更优的发电性能，保持当前的导流转角；
S2，热气流经导流板引导后，流经集热箱体并加热集热栅片，再从排气端口流出；
S3，集热栅片受热后温度升高成为热电发电的热源，热电模块以集热栅片为热源、散热片为冷源，获得温度差后产生电能，并对蓄电池充电。
本发明具有以下优点：
1、装置设计具有整体性，安装简便。本发明设计有独立的进气口和排气口，安装时不会影响原有热流气道结构的封闭性，通过进气口和原有气道的对接就可以完成气道改装，且安装位置不受限制。
2、具有气流适应能力，发电效能好。本发明通过使用温度和压力传感器，感知气体的温度和压力状况，并使用导流板将不同状态的气流以最优的导流转角扩散至集热箱体，以提高热电发电装置的发电效能；其具体表现为：在气流温度较低时，引导尾气集中加热中部的热电模块，防止所有热电模块都因热量不足而陷入均一的低效工作模式；在气流温度较高时，引导气流扩散至整个集热箱体均匀加热所有热电模块，防止热电模块的过热损坏，同时也提高了装置的发电效能。
3、具有系统保护功能。通过导流板对热气流的调节，一方面可以防止热电模块的过热损坏，另一方面也可以对某些对排气压力有要求的气流源系统(如汽车发动机排气系统)起到保护作用。
附图说明
图1为装置的外部结构轴测图；
图2为集热箱体内部结构图；
图3为进气端盖内部结构图；
图4为热电模块连接电路的拓扑结构图；
图5为最优导流转角计算流程图；
图中：1-进气端盖，2-排气端盖，3-盖板，4-集热栅片，5-热电模块，6-散热片，7-轴承座，8-中心轴，9-温度传感器，10-进气压力传感器，11-排气压力传感器，12-导流板，13-驱动电机，14-ECU。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1、2、3所示，一种具有气流状态自适应功能的热电发电装置，包括进气端盖1、排气端盖2、集热箱体、热电模块5、散热片6、导流模块和电控模块。所述进气端盖1和排气端盖2均为由空心棱台和空心圆柱体焊接而成的漏斗状结构，热气流从进气端盖1流入，流经集热箱体，再从排气端盖2流出；所述集热箱体由上下两块U型盖板3和左右两侧的集热栅片4以螺栓连接构成；所述两个集热栅片4的平整面上各以“3×5”阵列均匀分布热电模块5；所述每一个热电模块5的一侧均安装一个散热片6；所述散热片6通过挂耳与集热栅片4以螺栓连接并紧固。所述导流模块由两个导流板12、两个中心轴8和两个轴承座7构成；所述导流板12与中心轴8固连，且导流板12所在面通过中心轴8轴线；所述中心轴8通过轴承座7固定于进气端盖1，且中心轴8垂直穿透进气端盖1并部分伸出进气端盖1的竖直侧面；所述两个轴承座7沿竖直方向对称分布，并以螺栓连接固定于进气端盖1的竖直侧面；所述中心轴8可以由电控模块控制而转动；所述电控模块包括ECU 14和驱动电机13，所述驱动电机13的电机轴通过联轴器与中心轴8同轴固连，所述ECU14采用STM32开发板；所述导流板12的转角取值范围为0°-90°，设计成以10°为间隔的10个离散点集合，即0°、10°、20°……90°。该热电发电装置，还包括一个温度传感器9、进气压力传感器10和排气压力传感器11，所述温度传感器9安装于进气端盖1的竖直侧面的中部，所述两个压力传感器分别安装于进气端盖1和排气端盖2的空心圆柱部分。
所述热电模块5使用具有粘性的导热硅脂，或其他具有良好导热性能的粘剂，粘贴于集热栅片4的平整面；所述热电模块5与散热片6接触的工作面上涂覆有具有粘性的导热硅脂，或其他具有良好导热性能的粘剂。
如图4所示，所述各个热电模块5间的拓扑结构为：每一行五个热电模块5串联连接为一组，各组热电模块5之间并联连接，并联之后再与储能设备相连，所述储能设备可以为蓄电池或超级电容器。
一种具有气流状态自适应功能的热电发电装置，其主要工作流程为：
(1)热气流从进气端盖1流入，温度传感器9、进气压力传感器10和排气压力传感器11分别监测气流温度和压力状况后，将信号传至ECU 14，ECU 14根据气流状态计算最优导流转角，如图5所示，其计算步骤为：
步骤一：ECU14采集并存储不同气流状态和导流角度时的热电发电功率数据组：data(T、ΔP、θ、Pout)，其中T为气流温度，ΔP＝P1-P2为进出口气体压差，P1进口处压力，P2为出口处压力，θ为导流转角，Pout为热电发电装置的输出功率；
步骤二：每采集到N组数据组后，ECU14调取最近的N组数据，进行动态功率输出方程Pout＝f(T、ΔP、θ)的拟合。拟合采用的方法可以是三次插值拟合，当使用该方法时，动态功率输出方程将被拟合为如下形式：
Pout＝Σaijk·Ti·ΔPj·θk
其中i，j，k＝0，1,2,3且i+j+k≤3；aijk为动态方程参数，该参数将通过BSO智能算法识别得到；
此步骤中采用的拟合方法可以为上述的三次插值拟合，但不限于该种方法，还可以为线性拟合、最小二乘法拟合，利用其他拟合方法，对热电发电装置输出方程进行动态识别，将可能得到不同形式的输出方程；
步骤三：ECU14调用当前时刻的进气温度Tnow、前一时刻的进气温度Tbef、当前时刻的进出口气体压差ΔPnow和前一时刻的进气温度ΔPbef，计算热电发电装置的功率变化因数；热电发电装置的功率变化因数的计算公式为：
其中，γ是热电发电装置的功率变化因数，当γ大于零时，表明热电发电装置的输出功率呈上升趋势，反之，呈下降趋势；Δt是数据采样时间间隔。
步骤四：判断是否需要进行导流转角调节：当γ≥0时，热电发电装置的输出功率呈上升趋势，无需对导流转角进行调节，此时保持导流转角；当γ＜0时，热电发电装置的输出功率呈下降趋势，应对导流转角进行调节；但为防止导流板频繁动作引起过高能耗，需设置调节门限γ0，即当|γ|≥γ0时，判定需要调节导流转角，此时进入步骤五。
步骤五：如图5所示，对当前导流转角θ进行调节的流程为：分别计算在当前进气温度和进出口压差下，对导流转角调节10°和-10°后的发电系统输出功率，即f(Tnow、ΔPnow、θ+10°)和f(Tnow、ΔPnow、θ-10°)(注：在本步骤内分别将上述两项输出功率简述为f(θ+10°)和f(θ-10°)，并同时将当前时刻的发电系统输出功率f(Tnow、ΔPnow、θ°)简述为f(θ))，并作如下判定：
当f(θ+10°)＞f(θ)且f(θ-10°)＜f(θ)，则导流转角调节至θ+10°；
当f(θ+10°)＜f(θ)且f(θ-10°)＞f(θ)，则导流转角调节至θ-10°；
当f(θ+10°)＞f(θ)且f(θ-10°)＞f(θ)，则作进一步判断，当f(θ+10°)＞f(θ-10°)，则导流转角调节至θ+10°，反之，导流转角调节至θ-10°；
当f(θ+10°)＜f(θ)且f(θ-10°)＜f(θ)，则表明当前状态下通过调节导流转角，无法获得更优的发电性能，因此保持当前的导流转角。
(2)热气流经导流板12引导后，流经集热箱体并加热集热栅片4，再从排气端口2流出；
(3)集热栅片4受热后温度升高成为热申发申的热源：热申模块5以集热栅片4为热源，以散热片6为冷源，获得温度差后产生电能，并对蓄电池充电。
以上所述对本发明进行了简单说明，并不受上述工作范围限值，只要采取本发明思路和工作方法进行简单修改运用到其他设备，或在不改变本发明主要构思原理下做出改进和润饰的等行为，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有气流状态自适应功能的热电发电装置，其特征在于，包括进气端盖(1)、排气端盖(2)、集热箱体、热电模块(5)、散热片(6)及储能设备，所述进气端盖(1)、排气端盖(2)与集热箱体连接构成装置的外壳体，所述进气端盖(1)和排气端盖(2)可与排气管道相连，所述集热箱体由上、下两块盖板(3)和两侧的集热栅片(4)连接构成，集热栅片(4)的平整面上均匀分布若干热电模块(5)，每个热电模块(5)的一侧均安装有散热片(6)，散热片(6)与集热栅片(4)连接并紧固；热电模块(5)还与储能设备相连；该热电发电装置还包括导流模块和电控模块，所述导流模块由导流板(12)、中心轴(8)和轴承座(7)构成，所述导流板(12)与中心轴(8)固连，且导流板(12)所在面通过中心轴(8)轴线，所述中心轴(8)通过轴承座(7)固定于进气端盖(1)上，且中心轴(8)垂直穿透进气端盖(1)并部分伸出进气端盖(1)，所述中心轴(8)由电控模块控制而转动，所述电控模块包括相互连接的ECU(14)和驱动电机(13)，所述驱动电机(13)的电机轴与中心轴(8)伸出进气端盖(1)部分同轴固连，ECU(14)根据气流状态计算最优导流转角；
所述ECU(14)根据气流状态计算最优导流转角的步骤为：
S1.1：ECU(14)采集并存储不同气流状态和导流角度时的热电发电功率数据组：data(T、ΔP、θ、Pout)，其中T为气流温度，ΔP＝P1-P2为进出口气体压差，P1进口处压力，P2为出口处压力，θ为导流转角，Pout为热电发电装置的输出功率；
S1.2：每采集到N组数据组后，ECU(14)调取最近的N组数据，进行动态功率输出方程Pout＝f(T、ΔP、θ)的拟合，拟合采用的方法是三次插值拟合，当使用该方法时，动态功率输出方程将被拟合为如下形式：
Pout＝∑aijk·Ti·ΔPl·θk
其中i，j，k＝0，1，2，3且i+j+k≤3；aijk为动态方程参数，该参数将通过BSO智能算法识别得到；
S1.3：ECU(14)调用当前时刻的进气温度Tnow、前一时刻的进气温度Tbef、当前时刻的进出口气体压差ΔPnow和前一时刻的进出口气体压差ΔPbef，计算热电发电装置的功率变化因数其中：Δt是数据采样时间间隔，当γ大于等于零时，表明热电发电装置的输出功率呈上升趋势，反之，呈下降趋势；
S1.4：判断是否需要进行导流转角调节：当γ≥0时，无需对导流转角进行调；当γ＜0时，应对导流转角进行调节；为防止导流板频繁动作引起过高能耗，设置调节门限γ0，当|γ|≥γ0时，判定需要调节导流转角，此时进入S1.5；
S1.5：对当前导流转角θ进行调节：分别计算在当前进气温度Tnow和进出口压差ΔPnow下，对导流转角调节10°和-10°后的发电系统输出功率，即f(Tnow、ΔPnow、θ+10°)和f(Tnow、ΔPnow、θ-10°)，分别记为f(θ+10°)和f(θ-10°)，将当前时刻的发电系统输出功率f(Tnow、ΔPnow、θ°)记为f(θ)，并作如下判定：
当f(θ+10°)＞f(θ)且f(θ-10°)＜f(θ)，则导流转角调节至θ+10°；当f(θ+10°)＜f(θ)且f(θ-10°)＞f(θ)，则导流转角调节至θ-10°；当f(θ+10°)＞f(θ)且f(θ-10°)＞f(θ)，则作进一步判断，当f(θ+10°)＞f(θ-10°)，则导流转角调节至θ+10°，反之，导流转角调节至θ-10°；当f(θ+10°)＜f(θ)且f(θ-10°)＜f(θ)，表明当前状态下通过调节导流转角无法获得更优的发电性能，保持当前的导流转角。
2.根据权利要求1所述的一种具有气流状态自适应功能的热电发电装置，其特征在于，所述进气端盖(1)和排气端盖(2)均为由空心棱台和空心圆柱体焊接而成的漏斗状结构。
3.根据权利要求2所述的一种具有气流状态自适应功能的热电发电装置，其特征在于，该热电发电装置还包括分别安装于进气端盖(1)和排气端盖(2)空心圆柱部分的进气压力传感器(10)和排气压力传感器(11)，以及安装于进气端盖(1)侧面的温度传感器(9)。
4.根据权利要求1所述的一种具有气流状态自适应功能的热电发电装置，其特征在于，所述各个热电模块(5)间的拓扑结构为：每一行热电模块(5)串联为一组，各组热电模块(5)之间并联，然后与储能设备相连，所述储能设备为蓄电池或超级电容器。
5.根据权利要求1所述的一种具有气流状态自适应功能的热电发电装置，其特征在于，所述导流板(12)的转角取值范围为0°-90°，设计成以10°为间隔的10个离散点集合，即0°、10°、20°……90°。
6.根据权利要求1所述的一种具有气流状态自适应功能的热电发电装置，其特征在于，所述热电模块(5)使用具有导热性能的粘剂粘贴于集热栅片(4)的平整面，所述热电模块(5)与散热片(6)接触的工作面上涂覆具有导热性能的粘剂。
7.一种根据权利要求1所述的具有气流状态自适应功能的热电发电装置的发电方法，其特征在于，包括步骤：
S1，热气流从进气端盖(1)流入，温度传感器(9)、进气压力传感器(10)和排气压力传感器(11)分别监测气流温度和压力状况后，将信号传至ECU(14)，ECU(14)根据气流状态计算最优导流转角；
所述ECU(14)根据气流状态计算最优导流转角的步骤为：
S1.1：ECU(14)采集并存储不同气流状态和导流角度时的热电发电功率数据组：data(T、ΔP、θ、Pout)，其中T为气流温度，ΔP＝P1-P2为进出口气体压差，P1进口处压力，P2为出口处压力，θ为导流转角，Pout为热电发电装置的输出功率；
S1.2：每采集到N组数据组后，ECU(14)调取最近的N组数据，进行动态功率输出方程Pout＝f(T、ΔP、θ)的拟合，拟合采用的方法是三次插值拟合，当使用该方法时，动态功率输出方程将被拟合为如下形式：
Pout＝∑aijk·Ti·ΔPj·θk
其中i，j，k＝0，1,2,3且i+j+k≤3；aijk为动态方程参数，该参数将通过BSO智能算法识别得到；
S1.3：ECU(14)调用当前时刻的进气温度Tnow、前一时刻的进气温度Tbef、当前时刻的进出口气体压差ΔPnow和前一时刻的进出口气体压差ΔPbef，计算热电发电装置的功率变化因数其中：Δt是数据采样时间间隔，当γ大于等于零时，表明热电发电装置的输出功率呈上升趋势，反之，呈下降趋势；
S1.4：判断是否需要进行导流转角调节：当γ≥0时，无需对导流转角进行调；当γ＜0时，应对导流转角进行调节；为防止导流板频繁动作引起过高能耗，设置调节门限γ0，当|γ|≥γ0时，判定需要调节导流转角，此时进入S1.5；
S1.5：对当前导流转角θ进行调节：分别计算在当前进气温度Tnow和进出口压差ΔPnow下，对导流转角调节10°和-10°后的发电系统输出功率，即f(Tnow、ΔPnow、θ+10°)和f(Tnow、ΔPnow、θ-10°)，分别记为f(θ+10°)和f(θ-10°)，将当前时刻的发电系统输出功率f(Tnow、ΔPnow、θ°)记为f(θ)，并作如下判定：
当f(θ+10°)＞f(θ)且f(θ-10°)＜f(θ)，则导流转角调节至θ+10°；当f(θ+10°)＜f(θ)且f(θ-10°)＞f(θ)，则导流转角调节至θ-10°；当f(θ+10°)＞f(θ)且f(θ-10°)＞f(θ)，则作进一步判断，当f(θ+10°)＞f(θ-10°)，则导流转角调节至θ+10°，反之，导流转角调节至θ-10°；当f(θ+10°)＜f(θ)且f(θ-10°)＜f(θ)，表明当前状态下通过调节导流转角无法获得更优的发电性能，保持当前的导流转角；
S2，热气流经导流板(12)引导后，流经集热箱体并加热集热栅片(4)，再从排气端口(2)流出；
S3，集热栅片(4)受热后温度升高成为热电发电的热源，热电模块(5)以集热栅片(4)为热源、散热片(6)为冷源，获得温度差后产生电能，并对蓄电池充电。
8.根据权利要求7所述的发电方法，其特征在于，所述动态功率输出方程的拟合方法还能为线件拟合、最小二乘法拟合。
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