CN110112958A - 相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统，包括内层导热结构、中间半导体温差发电模块和外层翅片散热器，内层导热结构紧密贴合在车辆排气管外壁，整体呈六棱柱形，为温差发电模块提供平整贴附点；导热结构内部填充有相变材料熔融盐，可以使导热结构外壁温度保持均匀且恒定，同时蓄集汽车尾气中的热量。中间半导体温差发电模块采用双层设计，内外层发电模块根据各自实际工作温区选取不同的热电材料，其最佳工作温区与实际温区相匹配，使两层发电模块均工作于最佳温度，实现对汽车尾气余热的梯级利用。外层翅片散热器采用树叶形仿生结构，利用汽车行进时产生的气流进行强制对流散热。本发明可利用汽车尾气发电，实现尾气的余热利用。
Description
技术领域
本发明属于汽车配件技术领域，特别涉及一种相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统。
背景技术
汽车工业是我国国民经济的支柱产业之一。随着我国汽车工业的发展，车辆的节能问题也越来越受关注。然而内燃机所消耗燃油中60％以上的能量没有得到有效利用，绝大部分能量以汽车尾气余热的形式排放到大气中，造成了巨大的经济损失和能源浪费。若对这部分能量进行合理回收利用可以大大节省汽车的油耗，同时达到节能减排的目标，具有很好的社会和经济效益。
使用半导体温差发电技术可以有效地回收汽车行进中通过汽车尾气管散失的热量。温差发电设备具有体积小、结构紧凑、无运动部件等特点，在低品位热能利用方面具有独特的效果。把它安装在内燃机的尾气管上，能够将内燃机运行余热直接转换为电能，供汽车内电气设备使用，达到节能效果。
使用相变蓄热材料可以很好地将汽车尾气中易于散失的热量加以收集，利用半导体温差发电原理进行发电，提高汽车尾气中热量的利用率。相变储能材料(phase changematerials，PCMs)，又称潜热储能材料，利用物质相变过程吸热或放热而实现能量储存，具有储能密度大、输出温度和能量稳定等优点，对于提高能源利用率、改善能源结构具有重要意义。
在已有的几种相变材料中，熔融盐混合物具有适合的熔融温度范围以及高的潜热值，而在应用最为广泛的几类熔融盐相变材料中，熔融硝酸盐具有较高的使用温度、高热稳定性、高比热容、高对流传热系数、低粘度、低饱和蒸汽压、低价格等优势，而且使用时无污染、成本低、不衰减、不受循环次数限制、安全性及可靠性高，是目前认可度最高的传蓄热介质之一。
目前市场上存在着一些汽车尾气发电系统，但可惜的是，这些发电系统均发电效率低下，且体积巨大。大部分同类系统冷端散热采用水冷方式，结构较为复杂，制造成本较高，可靠性不高；且冷端有较多热量白白流失，没有对汽车尾气热量进行有效地利用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统，基于半导体温差发电原理，可利用汽车尾气发电，实现尾气余热利用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统，包括内层导热结构、中间半导体温差发电模块和外层翅片散热器，其中，所述内层导热结构紧密贴合在车辆排气管外壁，为温差发电模块提供平整贴附点；所述中间半导体温差发电模块热端紧贴内层导热结构，利用汽车尾气热量进行温差发电，所述外层翅片散热器贴合于中间半导体温差发电模块的冷端，利用汽车行进时产生的气流进行强制对流散热。
所述内层导热结构包括同轴的圆柱形内壁3和内壳体6，圆柱形内壁3的内侧与车辆排气管外壁紧密接触，内壳体6的内侧与圆柱形内壁3的外侧之间的形成腔体5，所述内壳体6上设有用于注入熔融盐的孔洞和用于密封的密封盖2，在腔体5中填充有熔点在250±20℃的相变材料熔融盐，可以使内层导热结构外壁温度保持均匀且恒定，同时蓄集汽车尾气中的热量。
所述熔融盐由70％硝酸钠和30％硝酸钾均匀混合组成。
所述圆柱形内壁3的外侧面上均匀布置有圆形内翅片4。
所述内壳体6垂直于轴的截面为正六边形，使得内层导热结构整体呈六棱柱形，每个外侧面上均焊有用于固定中间半导体温差发电模块的发电片的卡槽7，所述卡槽7的槽长方向与内壳体6的轴向平行。
所述中间半导体温差发电模块采用双层设计，每组所述发电片包含两层，考虑到内外两层发电模块工作的温度区间不同，内外层发电模块根据各自实际工作温区选取不同的热电材料，内层为耐高温高效发电组，外层发电组耐温值可适当降低，低于内层发电组耐温值，两层发电模块均工作于最佳温度，实现对汽车尾气余热的梯级利用。
所述内层的各个发电单元之间串联连接，构成第一级温差发电模块8，外层的各个发电单元之间串联连接，构成第二级温差发电模块9。
所述第一级温差发电模块8和第二级温差发电模块9各自独立地连接在电源整流器上。
所述外层翅片散热器包括翅片底板11，翅片底板11的内侧与中间半导体温差发电模块的冷端紧密贴合，外侧设置翅片12。
所述外层翅片散热器采用树叶形仿生结构，即翅片12为树叶形，其形状可表述为：在同一翅片底板11上的翅片12沿翅片底板11的中轴线左右对称，且各翅片与该中轴线之间夹角均为30°，各翅片之间间距为10mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本系统增设装有相变蓄热材料熔融盐的蓄热层，采用质量分数为70％的硝酸钠和30％的硝酸钾的熔融盐混合物作为相变储能材料。该熔融盐混合物具有较高的相变潜热，在相变过程中会吸收大量热量，可以将尾气管中易于散失的热量蓄集到相变蓄热层中，从而大大提高尾气废热的利用率；同时熔融盐的存在使得发电模块热端温度缓慢变化，发电过程更加平稳，防止出现电压的突升或突降。
(2)熔融盐工作与固液两相区，使外管温度保持均匀且恒定。熔融盐在尾气管的高温作用下会发生相变，在正常工作状况下，熔融盐处于非共晶区，呈固液两相共存的状态，可以防止温差发电模块热端温度大幅变化，从而使系统输出功率保持稳定。
(3)液化后的熔融盐粘性小，易流动，利用其流动性，热量可以均匀地传递到内壳体外壁，使与之紧密接触的发电片热端温度均匀，防止发电片局部温度过热造成发电片损坏或局部温度过冷使发电效率降低。
(4)为解决以往汽车尾气温差发电系统效率低下的问题，本发明采用双层发电片组，对汽车尾气管热量进行梯级利用。考虑到第一级发电片的冷端温度仍然较高，因此将第一级发电片组的冷端作为第二级发电片组的热端，双层发电片平分从内层结构热端到外层散热器之间的温差，使得两层发电片都各有100℃左右温差。相比于单层发电片结构，本系统考虑到内外侧发电片工作温区不同，选取不同的热电材料，其最佳工作温区与实际温区相匹配，使内外两层发电模块均工作于最佳状态，实现了对不同温度热能的梯级利用。经过实验测定，系统长度为40cm条件下，温差发电模块使用单层布置时，系统发电输出功率为77.25W；在同等条件下使用双层布置，发电输出功率可达119.16W，发电功率提升了54％。
(5)本发明摒弃了传统温差发电系统水冷的思想，冷端采用自主设计的新型树叶形仿生翅片。翅片与汽车行进过程中的来流相配合，气流在翅片流道内快速通过，将热量迅速导走，降低冷端温度。通过实验测定，在设定工况下，维持热端温度为300℃，使用普通直翅片时，发电模块冷端温度为100℃；使用新型树叶形仿生翅片，冷端温度可以维持在70℃，大大降低了冷端温度，提高了温差发电模块冷热端温差，使发电效能大幅提升。
附图说明
图1为汽车尾气温差发电系统的结构示意图。
图2为系统外端盖剖视图。
图3系统结构剖面图。
图4为树叶形翅片主视图
图5为树叶形翅片俯视图
图中的标号说明如下：
1.外端盖；2.密封盖；3.圆柱形内壁；4.圆形内翅片；5.腔体；6.内壳体；7.固定卡槽；8.第一级温差发电模块；9.第二级温差发电模块；10.导线孔；11.翅片底板；12.翅片。
具体实施方式
为进一步说明本发明系统的工作原理，结合附图来对本系统进行进一步描述。
如图1所示，本发明是一种相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统，主要包括内层导热结构、中间半导体温差发电模块和外层翅片散热器。
具体地，参考图2和图3，内层导热结构包括同轴的圆柱形内壁3和内壳体6，圆柱形内壁3的内侧与车辆排气管外壁紧密接触，选取一种外径为51mm的汽车尾气管进行安装布置，为使内壁3与之紧密贴合，圆柱形内壁3的内径尺寸选取为51mm。
内壳体6外壁与温差发电模块紧密接触，作为发电模块的热端。内壳体6采用正六棱柱形状设计，其与圆柱形内壁3之间的腔体5内部填充熔点在250±20℃的相变材料熔融盐，内壳体6上设有用于注入熔融盐的孔洞和用于密封的密封盖2，密封盖2外为外端盖1。圆柱形内壁3的外侧面上均匀布置有圆形内翅片4，以强化尾气管对熔融盐的传热。系统在正常工作状态下，熔融盐呈固液两相态，可以使发电模块热端温度均匀且保持恒定，使输出功率保持稳定。
熔融盐在本系统中作为导热介质与相变储能材料。在已有的几种相变材料中，熔融盐混合物具有适合的熔融温度范围以及较高的潜热值，无疑最适用于本系统，而在应用最为广泛的几类熔融盐相变材料中，熔融硝酸盐具有较高的使用温度、高热稳定性、高比热容、高对流传热系数、低粘度、低饱和蒸汽压、低价格等优势，而且使用时无污染、成本低、不衰减、不受循环次数限制、安全性及可靠性高，是目前认可度最高的传蓄热介质之一，因此本系统采用熔融硝酸盐作为导热介质与相变储能材料。
理想工作状态下，第一级温差发电模块热端温度在250℃时发电效能最佳，因此应选择熔点在250℃附近的熔融盐。经过实验测定，质量分数为70％的硝酸钠和30％的硝酸钾的熔融硝酸盐混合物熔点为250±20℃，满足本系统的温度需求。
汽车排气管表面温度沿轴向有较大变化，而工作于固液两相区的熔融盐可以使内壳体外壁温度保持均匀且恒定。为实现该效果，熔融盐层需具有一定厚度。经过数值模拟计算，当熔融盐层厚度达到10mm时，内壳体外壁温度已基本均匀，继续增加盐层厚度，均匀效果不会有较大提升，因此盐层最小厚度选取为10mm。
内壳体6垂直于轴的截面为正多边形，为温差发电片提供平整贴附点，目前应用最为广泛的温差发电片尺寸为40×40mm，因此设计内壳体6截面边长为45mm(预留5mm用于连接导线)。在截面边长为45mm条件下，经过测算，采用正五变形、六边形、七边形设计，盐层最小厚度分别为2.47mm、10.47mm、18.22mm。其中正六边形设计的盐层最小厚度与设计尺寸10mm最为接近，因此内壳体6截面采用正六边形设计。
内壳体6的每个外侧面上均焊有用于固定中间半导体温差发电模块的发电片的卡槽7，以防止发电片脱落或移位。卡槽7的槽长方向与内壳体6的轴向平行。
圆柱形内壁3的外侧面上均匀布置有环形翅片4。考虑到熔融盐具有很高的相变潜热，需要较长时间才能转化为固液两相态，导致系统的启动时间较长，为克服该问题，在内壁3外侧布置环形翅片4，其中翅片厚度为2mm，高度为6mm。受焊接工艺的限制，为便于加工，翅片间距为8mm，如果加工工艺得到提升，可以减少翅片间距，在相同长度内布置更多的环形内翅片，使换热效果更佳。经过测算，环形内翅片增加了40％的换热面积，强化了尾气管与熔融盐的换热，大幅减少了系统的启动时间。
中间半导体温差发电模块的每组发电片包含两层，内层为耐高温发电组，外层为普通发电组。六组温差发电模块中，内层的各个发电单元之间串联连接，构成第一级温差发电模块8，外层的各个发电单元之间串联连接，构成第二级温差发电模块9，每层发电模块厚度为4mm。发电单元连接处裸露的导线用黄蜡管包裹，放于预留的导线孔10中。第一级温差发电模块8和第二级温差发电模块9各自独立地连接在电源整流器上。两级发电模块之间没有直接串联，防止因内外发电模块所采用的发电单元性质不同而引起输出功率的损失。
外层翅片散热器包括翅片底板11与树叶形翅片12。翅片底板11厚度为3mm，由螺丝紧固于外端盖1上，与外端盖1共同构成整个系统的外壳结构。翅片底板11的内侧与中间半导体温差发电模块的冷端紧密贴合，系统整体形状与内壳体6的形状一致，翅片底板11的外侧设置翅片12。
如图4和5所示，翅片12厚度为3mm，为树叶形仿生结构，具有很好的场协同性，散热效果相对于普通直板形翅片有大幅提升。自然界中几乎所有树叶的叶脉分支角度大约在30°左右，该角度下，养料在输运的过程中所受阻力最小，本系统翅片散热器模仿树叶叶脉进行布置，在同一翅片底板11上的翅片12沿翅片底板11的中轴线左右对称分布，且各翅片与该中轴线具有相同夹角。通过数值模拟分析，随着树叶形翅片倾角的增加，翅片底板温度先降低后升高，在夹角为30°时底板温度最低，散热效果最好，因此确定各翅片与该中轴面之间夹角为30°。在汽车行进过程中，由于侧向风的存在，来流迎角大约在30°左右，与树叶形翅片相配合，气流在翅片流道内快速通过，将热量迅速导走，降低冷端温度，维持发电模块冷热端温差。
为确定翅片尺寸使散热效果最佳，采用数值模拟进行分析。首先固定翅片高度，发现翅片间距为10mm时散热效果最佳。考虑到汽车排气管周围空间有限，且要保证装置安装后与地面距离符合国家安全标准，翅片高度不能过高，因此翅片高度选择为25mm，既可以起到很好的散热效果，又可以满足汽车装配的尺寸要求。
本系统材料整体选用钢材，除环形内翅片外，各个部件钢材厚度可均选择3mm。
本系统整体长度可随不同种类汽车的尾气管周围可布置空间大小调整，系统长度越长，发电功率越大。经过实验测定，系统长度为40cm时，整体发电功率可达120W。对于一般的家用轿车，本系统在尾气管上可布置的长度为2m左右，此时预计发电效率可达500W，完全可以满足车内电器设备的用电需求。
经过测算，系统长度为2m时，其成本为2300元，结合此时的发电功率，系统可在1.5年内回收成本。本系统的寿命可达十年以上，长期使用可节约大量燃油。
综上，本发明在导热结构中填充相变材料熔融盐，维持发电模块热端温度均匀且恒定，同时蓄集尾气中的热量，中间温差发电模块布置采用双层设计，对汽车尾气热量进行梯级利用，外层翅片采用树叶形仿生结构，强化散热。本发明可充分利用汽车尾气热量进行温差发电。
Claims (10)
1.相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统，其特征在于，包括内层导热结构、中间半导体温差发电模块和外层翅片散热器，其中，所述内层导热结构紧密贴合在车辆排气管外壁，所述中间半导体温差发电模块热端紧贴内层导热结构，利用汽车尾气热量进行温差发电，所述外层翅片散热器贴合于中间半导体温差发电模块的冷端，利用汽车行进时产生的气流进行强制对流散热。
2.根据权利要求1所述相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统，其特征在于，所述内层导热结构包括同轴的圆柱形内壁(3)和内壳体(6)，圆柱形内壁(3)的内侧与车辆排气管外壁紧密接触，内壳体(6)的内侧与圆柱形内壁(3)的外侧之间的形成腔体(5)，所述内壳体(6)上设有用于注入熔融盐的孔洞和用于密封的密封盖(2)，在腔体(5)中填充有熔点在250±20℃的熔融盐。
3.根据权利要求2所述相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统，其特征在于，所述熔融盐由70％硝酸钠和30％硝酸钾均匀混合组成。
4.根据权利要求2所述相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统，其特征在于，所述圆柱形内壁(3)的外侧面上均匀布置有圆形内翅片(4)。
5.根据权利要求4所述相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统，其特征在于。所述内壳体(6)垂直于轴的截面为正六边形，每个外侧面上均焊有用于固定中间半导体温差发电模块的发电片的卡槽(7)，所述卡槽(7)的槽长方向与内壳体(6)的轴向平行。
6.根据权利要求4所述相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统，其特征在于，每组所述发电片包含两层，内层为耐高温高效发电组，外层发电组耐温值可适当降低，低于内层发电组耐温值。
7.根据权利要求6所述相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统，其特征在于，所述内层的各个发电单元之间串联连接，构成第一级温差发电模块(8)，外层的各个发电单元之间串联连接，构成第二级温差发电模块(9)。
8.根据权利要求7所述相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统，其特征在于，所述第一级温差发电模块(8)和第二级温差发电模块(9)各自独立地连接在电源整流器上。
9.根据权利要求1所述相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统，其特征在于，所述外层翅片散热器包括翅片底板(11)，翅片底板(11)的内侧与中间半导体温差发电模块的冷端紧密贴合，外侧设置翅片(12)。
10.根据权利要求9所述相变耦合仿生翅片型汽车尾气余热梯级发电系统，其特征在于，所述翅片(12)为树叶形结构，即，在同一翅片底板(11)上的翅片(12)沿翅片底板(11)的中轴线左右对称，且各翅片与该中轴线之间夹角均为30°，各翅片之间间距为10mm。
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