CN109217734A - 一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，用来评价车载温差发电系统输出性能的好坏。水冷式车载温差发电系统由换热器、温差发电片和散热器组成，当尾气流经换热器、而冷却水流经散热器时，会在温差发电片两端形成温差，由此产生电能以给负载供电；然而，车载温差发电系统在产生电能的同时，由于本身结构的重量会造成车辆额外的重力损失，另外，尾气流经换热器和冷却水流经散热器时也会增加流体流动的阻力，造成泵能损失。因此本发明通过分别计算温差发电系统的输出功率、重力损失、尾气泵能损失和冷却水泵能损失，最终得出净输出功率。根据净输出功率的多少，定量评价该车载温差发电系统的输出性能，具有较大的实用价值。

Description

一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法

技术领域

本发明属于车辆尾气废热回收领域，具体涉及一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，用来评价车载温差发电系统的输出性能。

背景技术

温差发电是指利用热电材料制成的半导体PN结在温差作用下会定向移动而产生电流的效应，进行热能回收的一种技术。温差发电系统由热端换热器、冷端散热器以及夹在中间的温差发电片三个结构组成，其具有诸多优点，如结构简单、没有复杂的运动部件、无污染、无噪音、寿命长和直接将热能转化为电能等。近年来，得益于热电材料的发展，温差发电系统显示出其良好的应用场景，如航空航天领域、工业废热回收和汽车尾气废热回收等领域。其中，汽车尾气废热回收领域已有不少学者研制出样机装于车辆上进行试验，并展现出良好的应用潜力，最高能节省10％左右的燃油消耗率。然而，车载温差发电系统在产生电能的同时，由于其本身的结构重量会带来额外的车辆重力损失，另外，尾气流经散热器时受制于结构的影响，会产生尾气的排气阻力损失，也称背压损失。如果散热器采用水冷方式，常与汽车发动机共用一个水冷，也会增加冷却系统的泵能损失。国内外有不少学者研究了温差发电器应用于汽车废热回收领域的回收潜力，以燃油节约率等为评价指标综合分析了其性能。然而，很少有学者综合考虑温差发电器装于车辆上带来的附加损失，即使有考虑到温差发电器的泵能损失，其压强差的确定也是利用实验手段测量而得，没有给出具体的的理论计算公式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，该方法基于流体力学等理论，充分考虑了温差发电器结构对流体流动产生的阻力大小，计算得到尾气泵能损失和冷却水的泵能损失，再结合温差发电器的输出功率和重力损失，最终得到温差发电系统的净功率输出。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，首先确定温差发电系统的输出功率P_teg，再确定系统的重力损失功率P_w，分别计算尾气的泵能损失P_b1和冷却水的泵能损失P_b2，最后由公式P_net＝P_teg-P_w-P_b1-P_b2计算得到系统的净输出功率。

进一步，所述确定温差发电系统的输出功率P_teg的具体过程为：

温差发电系统的输出功率P_teg为所有温差发电片输出功率之和：

其中，n为温差发电片的个数，i表示第i个温差发电片，α为温差发电片的塞贝克系数，表示第i个温差发电片的热端温度，表示第i个温差发电片的冷端温度，R_L表示负载电阻，R_in为单个温差发电片的内阻。

进一步，所述确定系统的重力损失功率P_w的具体过程为：

重力损失功率P_w可由车辆滚动阻力损失公式计算：

其中，W_teg为温差发电器的重力，f为车辆的滚动阻力系数，v为车辆的行驶速度，η_t为车辆的传动效率。

进一步，所述泵能损失P_b1包括突扩损失、沿程损失和突缩损失。

更进一步，所述突扩损失其中A₁为换热器尾气入口截面面积，A₂为换热器尾气中部截面面积，ρ_ex为尾气的密度，为尾气入口速度，为尾气质量流量。

更进一步，所述沿程损失其中为尾气的达西系数，为尾气流经换热器中部的雷诺数，μ_ex为尾气的动力粘度，l为换热器热端部分的长度，为换热器中部的水力直径，A₂为换热器中部的截面面积，C₂为截面A₂的周长，v₂为尾气流经换热器中部时的速度。

更进一步，所述突缩损失其中A₁为换热器出口处的截面面积，等于入口处的截面面积。

更进一步，所述尾气的泵能损失

进一步，所述冷却水的泵能损失P_b2包括沿程损失，冷却水的沿程损失为：其中为冷却水的达西系数，为冷却水流经散热器时的雷诺数，μ_w为冷却水的动力粘度，l为散热器长度，为散热器的水力直径，A₃为冷却水流经散热器的截面面积，C₃为截面A₃的周长，ρ_w为冷却水的密度，v_w为冷却水流经散热器时的速度；从而确定冷却水的泵能损失其中为冷却水的质量流量。

本发明的有益效果为：

本发明提出了一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，由理论公式分别计算温差发电器的输出功率、重力损失功率、尾气泵能损失和冷却水泵能损失，得到其净输出功率，用于定量评价车载温差发电器的输出性能，具有较大的实用价值。

附图说明

图1为水冷式温差发电系统结构示意图；

图2为水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体的水冷式温差发电器结构参数和边界条件，来说明本发明的技术方案。

如图1所示，水冷式温差发电系统结构示意图，由换热器、温差发电片和散热器组成，当尾气流经换热器、而冷却水流经散热器时，会在温差发电片两端形成温差，由此产生电能以给负载供电；图中汽车排放的尾气从换热器一端流入另一端流出，汽车冷却系统的管路流经换热器两端的散热器，温差发电片安装于换热器跟散热器之间。

如附图2所示，水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算流程：(1)确定温差发电系统的输出功率P_teg，(2)确定系统的重力损失功率P_w，(3)分别计算尾气的泵能损失P_b1和冷却水的泵能损失P_b2，(4)由公式P_net＝P_teg-P_w-P_b1-P_b2计算得到系统的净输出功率。

本发明的水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法按照如下步骤进行：

步骤1，确定温差发电系统的输出功率P_teg

温差发电系统的输出功率P_teg为所有温差发电片输出功率之和：

式中，n为温差发电片的个数，i表示第i个温差发电片，α为温差发电片的塞贝克系数，表示第i个温差发电片的热端温度，表示第i个温差发电片的冷端温度，R_L表示负载电阻，R_in为单个温差发电片的内阻。

步骤2，确定系统的重力损失功率P_w

重力损失功率P_w可由车辆滚动阻力损失公式计算：

式中，W_teg为温差发电器的重力，f为车辆的滚动阻力系数，v为车辆的行驶速度，η_t为车辆的传动效率。

步骤3，确定尾气的泵能损失P_b1，泵能损失由三个部分组成：突扩损失、沿程损失和突缩损失；

突扩损失为：

式中，A₁为换热器尾气入口截面面积，A₂为换热器尾气中部截面面积，ρ_ex为尾气的密度，为尾气入口速度(其中为尾气质量流量)；

沿程损失为：

式中，为尾气的达西系数(其中为尾气流经换热器中部的雷诺数，μ_ex为尾气的动力粘度)，l为换热器热端部分的长度，为换热器中部的水力直径(其中A₂为换热器中部的截面面积，C₂为截面A₂的周长)，v₂为尾气流经换热器中部时的速度；

突缩损失为：

式中，A₁为换热器出口处的截面面积(等于入口处的截面面积)。

尾气的泵能损失P_b1为：

步骤4，确定冷却水的泵能损失P_b2，与尾气泵能损失不同的是，它仅包含沿程损失；

冷却水的沿程损失为：

式中，为冷却水的达西系数(其中为冷却水流经散热器时的雷诺数，μ_w为冷却水的动力粘度)，l为散热器长度(等于换热器热端部分的长度)，为散热器的水力直径(其中A₃为冷却水流经散热器的截面面积，C₃为截面A₃的周长)，ρ_w为冷却水的密度，v_w为冷却水流经散热器时的速度；

冷却水的泵能损失P_b2为：

式中，为冷却水的质量流量。

根据上述计算的系统输出功率和损失功率，由公式P_net＝P_teg-P_w-P_b1-P_b2最终得到水冷式车载温差发电系统的净输出功率，用于评价该系统的输出性能。

本实例的温差发电器采用较常见的结构尺寸，其换热器出入口直径为50mm(故换热器入口、出口截面面积A₁为1963.5mm²)，散热器出入口直径为7mm(每个散热器包含4个管路，故散热器出入口截面面积A₃为154mm²)，换热器热端长度l为220mm，换热器中部截面面积A₂为100*60mm²(长*宽)，温差发电片尺寸为40mm*40mm*3.4mm(长*宽*高)，整个温差发电器中共有20个温差发电片，温差发电片的塞贝克系数α为0.049V/K，温差发电片的内阻R_in为1Ω。

假设车辆以80km/h的车速处于匀速运动状态，其尾气和冷却水的质量流量、温度、密度、动力粘度等参数，以及温差发电片的冷、热端平均工作温度如表1所示。

另外，温差发电器的重量为10kg，车辆的滚动阻力系数f为0.012，车辆传动系效率η为0.85。

表1已知参数

假设负载电阻等于所有温差发电片内阻之和，此时温差发电器输出功率达到最大。经过计算，温差发电器的输出功率P_teg为196.7W，温差发电器的重力损失功率为30.75W，尾气泵能损失有关计算结果如表2所示，冷却水泵能损失有关计算结果如表3所示。

表2尾气泵能损失有关计算

表3冷却水泵能损失有关计算

最终，由公式P_net＝P_teg-P_w-P_b1-P_b2计算得到该温差发电系统的净输出功率为131.78W。由结果可知，水冷式车载温差发电系统的损失功率主要在于重力损失和尾气泵能损失，而冷却水泵能损失较小；实例中的车载温差发电系统具有较大的净功率输出，输出性能较好。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，其特征在于，首先确定温差发电系统的输出功率P_teg，再确定系统的重力损失功率P_w，分别计算尾气的泵能损失P_b1和冷却水的泵能损失P_b2，最后由公式P_net＝P_teg-P_w-P_b1-P_b2计算得到系统的净输出功率。

2.如权利要求1所述的一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，其特征在于，所述确定温差发电系统的输出功率P_teg的具体过程为：

温差发电系统的输出功率P_teg为所有温差发电片输出功率之和：

其中，n为温差发电片的个数，i表示第i个温差发电片，α为温差发电片的塞贝克系数，表示第i个温差发电片的热端温度，表示第i个温差发电片的冷端温度，R_L表示负载电阻，R_in为单个温差发电片的内阻。

3.如权利要求1所述的一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，其特征在于，所述确定系统的重力损失功率P_w的具体过程为：

重力损失功率P_w可由车辆滚动阻力损失公式计算：

其中，W_teg为温差发电器的重力，f为车辆的滚动阻力系数，v为车辆的行驶速度，η_t为车辆的传动效率。

4.如权利要求1所述的一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，其特征在于，所述泵能损失P_b1包括突扩损失、沿程损失和突缩损失。

5.如权利要求4所述的一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，其特征在于，所述突扩损失其中A₁为换热器尾气入口截面面积，A₂为换热器尾气中部截面面积，ρ_ex为尾气的密度，为尾气入口速度，为尾气质量流量。

6.如权利要求5所述的一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，其特征在于，所述沿程损失其中为尾气的达西系数，为尾气流经换热器中部的雷诺数，μ_ex为尾气的动力粘度，l为换热器热端部分的长度，为换热器中部的水力直径，A₂为换热器中部的截面面积，C₂为截面A₂的周长，v₂为尾气流经换热器中部时的速度。

7.如权利要求6所述的一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，其特征在于，所述突缩损失其中A₁为换热器出口处的截面面积，等于入口处的截面面积。

8.如权利要求5-7所述的一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，其特征在于，所述尾气的泵能损失

9.如权利要求1所述的一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，其特征在于，所述冷却水的泵能损失P_b2包括沿程损失，冷却水的沿程损失为：其中为冷却水的达西系数，为冷却水流经散热器时的雷诺数，μ_w为冷却水的动力粘度，l为散热器长度，为散热器的水力直径，A₃为冷却水流经散热器的截面面积，C₃为截面A₃的周长，ρ_w为冷却水的密度，v_w为冷却水流经散热器时的速度；从而确定冷却水的泵能损失其中为冷却水的质量流量。