CN109510511A - 一种基于半导体温差发电的尾气余热转换装置及方法 - Google Patents

一种基于半导体温差发电的尾气余热转换装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于半导体温差发电的尾气余热转换装置及方法，该装置包括依次相连的稳压模块、温差发电模块和冷凝器；所述稳压模块和冷凝器均与所述温差发电模块相连；所述温差发电模块包括冷却液管、热电单元、尾气延长管道及圆筒式集热器，其中，所述尾气延长管道与汽车尾气管道相连，所述圆筒式集热器嵌套在尾气延长管道上，所述圆筒式集热器内壁上沿径向均匀设置有集热片，且所述集热片穿过尾气延长管道壁；该方法基于本装置，利用圆筒式集热器内均匀分布的集热片充分吸收汽车尾气管道释放的热量，所吸收的热量通过热电单元进行热电转换，将转换的电能输送至稳压模块，同时，利用冷却液管道对圆筒式集热器进行降温处理，实现余热转换。

Description

一种基于半导体温差发电的尾气余热转换装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体温差发电技术领域，特别涉及一种基于半导体温差发电的尾气余热转 换装置及方法。
背景技术
目前，能源紧张问题日益严重，汽车尾气能量的回收利用也成为主要研究的问题之一。
相关研究表明，汽车燃料产生的能量中通过冷却系统带走的占30％，通过内燃机运转摩 擦损失的占5％，通过汽车尾气带走的热量高占燃料热值的30-45％，而残余废气的温度在 700-900度左右。如果能够充分回收利用这一废热能量，将有助于提高车辆的动力性能和燃油 经济性，更能够节约石油资源，减少温室气体排放，带来巨大的社会效益和经济效益。
汽车尾气温差发电装置具有体积小、无噪声、无污染、工作可靠、使用寿命长等特点。 在现有技术上，汽车尾气温差发电装置一般采用平板式或多边形式集热器，冷却方法采用水 冷，安装在三元催化器和消音器之间，存在占用空间大，质量重，布置困难，与发动机排气 兼容性差，发电效率低等问题；并且在不同工况下，装置输出的电压/电流不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于半导体温差发电的尾气余热转换装置及方法，克服现有 技术中汽车尾气所排放的热量转换率不高的问题，通过采用圆筒式集热器降低对排气系统正 常工作的影响，提高排气系统的兼容性，充分吸收热量，并对热量进行转换，提高能量转换 率。
一种基于半导体温差发电的尾气余热转换装置，包括依次相连的稳压模块、温差发电模 块和冷凝器；
所述稳压模块和冷凝器均与所述温差发电模块相连；
所述温差发电模块包括冷却液管、热电单元、尾气延长管道及圆筒式集热器，其中，所 述尾气延长管道与汽车尾气管道相连，所述圆筒式集热器嵌套在尾气延长管道上，所述圆筒 式集热器内壁上沿径向均匀设置有集热片，且所述集热片穿过尾气延长管道壁；所述圆筒式 集热器的外壁与所述热电单元相连，所述冷却液管外设于所述热电单元上，热电单元之间进 行串联；
所述稳压模块与所述热电单元相连，所述冷凝器设置于蒸汽回路和冷凝液回路之间，蒸 汽回路和冷凝液回路分别与冷凝器上的冷却液管路的两个端口相连。
采用带有多片集热片的圆筒式集热器与汽车尾气管道排除的尾气直接接触，大大的提高 了热量的吸收效率。
进一步地，所述热电单元包括P型半导体、N型半导体、热端导流体以及冷端导流体， 所述P型半导体与N型半导体均竖直设置在热端导流体以及冷端导流体之间，且所述热端导 流体上设置有隔热层，冷端导流体和隔热层之间设置有空隙。
通过隔热层的设置，进一步提升热端导流体和冷端导流体之间的温差，确保更多的热能 被转换成电能；
空隙的设置可以让自然风通过，产生了风冷，同冷凝器形成了水冷和风冷结合的形式， 进一步提高了冷却效果；
进一步地，所述隔热层为硅化物隔热棉。
硅化物隔热棉使所述热电模块中热端导流体热量不散失，而冷端导流体能保持某一温度 T0，进一步保证所述P型和N型半导体热电材料两端有足够的温差。
进一步地，所述冷凝器采用微槽群结构。
进一步地，该装置设置于汽车排气系统的三元催化器与消声器之间。
安装在三元催化器与消声器之间，利用底盘处的通风，使得所述热电模块的冷端导流体 有较好地风冷效果，热端导流体也能有较高的温度，提高发电效率。
进一步地，所述尾气延长管道与汽车尾气管道直径相同。
一种基于半导体温差发电的尾气余热转换方法，采用上述的装置，利用圆筒式集热器内 均匀分布的集热片充分吸收汽车尾气管道释放的热量，所吸收的热量通过热电单元进行热电 转换，将转换的电能输送至稳压模块，同时，利用冷却液管道对圆筒式集热器进行降温处理， 实现余热转换。
进一步地，所述冷却液管、蒸汽回路、冷凝器和冷凝液回路内部先抽成真空后，再注入 冷却液。
有益效果
本发明提供了一种基于半导体温差发电的尾气余热转换装置及方法，该装置包括依次相 连的稳压模块、温差发电模块和冷凝器；所述稳压模块和冷凝器均与所述温差发电模块相连； 所述温差发电模块包括冷却液管、热电单元、尾气延长管道及圆筒式集热器，其中，所述尾 气延长管道与汽车尾气管道相连，所述圆筒式集热器嵌套在尾气延长管道上，所述圆筒式集 热器内壁上沿径向均匀设置有集热片，且所述集热片穿过尾气延长管道壁；该方法基于本发 明提出的转换装置，利用圆筒式集热器内均匀分布的集热片充分吸收汽车尾气管道释放的热 量，所吸收的热量通过热电单元进行热电转换，将转换的电能输送至稳压模块，同时，利用 冷却液管道对圆筒式集热器进行降温处理，实现余热转换。
相对于现有技术而言，具有以下优点：
(1)本发明采用圆筒式集热器，并增加与汽车尾气管道尺寸一致的尾气管道，降低对排 气系统正常工作的影响，提高排气系统的兼容性；
(2)本发明采用的热电单元中通过在热端导流体上设置有隔热层，提升了热端导流体和 冷端导流体之间的温差，确保更多的热能被转换成电能；
(3)本发明冷却方法采用风冷与水冷结合的形式，且水冷部分采用了微槽群结构，使其 相较于一般水冷形式要增强更多，提高冷却效果，增大温差，提高发电效率；
(4)本发明增设的稳压装置，在任何工况下利用稳压二极管使温差发电模块产生的电动 势都能稳定在某一值输出，直接输出到车载电器设备，减少能源损耗。
附图说明
图1为本发明所述装置的结构示意图；
图2为温差发电模块；
图3为微结构冷凝器结构示意图；
图4为稳压电路原理图；
其中，10为温差发电模块，1为冷却液管，2为热电单元，3为隔热层，4为圆筒式集热器，5为尾气延长管道，6为集热片，7为蒸汽回路，8为冷凝器，9为冷凝液回路。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。
如图1-图4所示，在汽车排气系统的三元催化器与消声器之间安装一种基于半导体温差 发电的尾气余热转换装置，该装置包括依次相连的稳压模块、温差发电模块10和冷凝器8；
所述稳压模块和冷凝器均与所述温差发电模块相连；
所述温差发电模块包括冷却液管1、热电单元2、尾气延长管道5及圆筒式集热器4，其 中，所述尾气延长管道与汽车尾气管道相连，所述圆筒式集热器嵌套在尾气延长管道上，所 述圆筒式集热器内壁上沿径向均匀设置有集热片，且所述集热片穿过尾气延长管道壁；所述 圆筒式集热器的外壁与所述热电单元相连，所述冷却液管外设于所述热电单元上，热电单元 之间进行串联；
所述稳压模块与所述热电单元相连，所述冷凝器设置于蒸汽回路和冷凝液回路之间，蒸 汽回路和冷凝液回路分别与冷凝器上的冷却液管路的两个端口相连。
冷凝器将冷却液管中的蒸发的气体冷凝后，再通过冷却液回路回流到冷却液管中，在实 例中，冷凝器优选地采用微槽群结构
稳压模块利用稳压二极管D1将温差发电模块产生的电动势稳定在某一值输出，可直接输 出到车载电器设备，实现热量到电量的转换输出。
所述热电单元包括P型半导体、N型半导体、热端导流体以及冷端导流体，所述P型半 导体与N型半导体均竖直设置在热端导流体以及冷端导流体之间，且所述热端导流体上设置 有隔热层，冷端导流体和隔热层之间设置有空隙；在实例中，隔热层可优选地采用硅化物隔 热棉；此外，温差发电模块中热电单元2和隔热层3与外界接触的部分均涂上一层绝缘介质 (如油漆)，以防止漏电和短路。
所述尾气延长管道与汽车尾气管道直径相同，以提高与发动机排气系统的兼容性。
采用带有多片集热片的圆筒式集热器与汽车尾气管道排除的尾气直接接触，大大的提高 了热量的吸收效率。
通过隔热层的设置，使所述热电模块中热端导流体热量不散失，而冷端导流体能保持某 一温度T0，进一步保证所述P型和N型半导体热电材料两端有足够的温差。；
在汽车行驶过程中的自然风从冷端导流体和隔热层之间设置的空隙中吹过，形成自然风 冷；同时热电单元2的冷端导流体还配置有与微结构冷凝器相连通的冷却液管1，形成水冷， 实现了水冷和风冷结合，进一步提高了冷却效果。
一种基于半导体温差发电的尾气余热转换方法，采用上述的装置，利用圆筒式集热器内 均匀分布的集热片充分吸收汽车尾气管道释放的热量，所吸收的热量通过热电单元进行热电 转换，将转换的电能输送至稳压模块，同时，利用冷却液管道对圆筒式集热器进行降温处理， 实现余热转换。
在启动装置之前，先将冷却液管、蒸汽回路、冷凝器和冷凝液回路内部先抽成真空后， 再注入冷却液。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不 脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范 围。

Claims (8)

1.一种基于半导体温差发电的尾气余热转换装置，其特征在于，包括依次相连的稳压模块、温差发电模块和冷凝器；
所述稳压模块和冷凝器均与所述温差发电模块相连；
所述温差发电模块包括冷却液管、热电单元、尾气延长管道及圆筒式集热器，其中，所述尾气延长管道与汽车尾气管道相连，所述圆筒式集热器嵌套在尾气延长管道上，所述圆筒式集热器内壁上沿径向均匀设置有集热片，且所述集热片穿过尾气延长管道壁；所述圆筒式集热器的外壁与所述热电单元相连，所述冷却液管外设于所述热电单元上，热电单元之间进行串联；
所述稳压模块与所述热电单元相连，所述冷凝器设置于蒸汽回路和冷凝液回路之间，蒸汽回路和冷凝液回路分别与冷凝器上的冷却液管路的两个端口相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热电单元包括P型半导体、N型半导体、热端导流体以及冷端导流体，所述P型半导体与N型半导体均竖直设置在热端导流体以及冷端导流体之间，且所述热端导流体上设置有隔热层，冷端导流体和隔热层之间设置有空隙。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述隔热层为硅化物隔热棉。
4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述冷凝器采用微槽群结构。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，该装置设置于汽车排气系统的三元催化器与消声器之间。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述尾气延长管道与汽车尾气管道直径相同。
7.一种基于半导体温差发电的尾气余热转换方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的装置，利用圆筒式集热器内均匀分布的集热片充分吸收汽车尾气管道释放的热量，所吸收的热量通过热电单元进行热电转换，将转换的电能输送至稳压模块，同时，利用冷却液管道对圆筒式集热器进行降温处理，实现余热转换。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述冷却液管、蒸汽回路、冷凝器和冷凝液回路内部先抽成真空后，再注入冷却液。
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