CN110518836A - 一种汽车废热温差发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车废热利用设备技术领域，具体涉及一种汽车废热温差发电装置，包括温差发电系统与传导机构；汽车车头内由前至后依次设有温差发电系统、冷凝器以及水箱；温差发电系统由数个温差发电单元组成，每一温差发电单元均由半导体温差发电机构与翅片散热器连接而成；半导体温差发电机构的两端分别为第一导热层与第二导热层，第二导热层与第一导热层在汽车车头内按照前后方向放置；水箱与冷凝器散发的热量均通过传导机构传导至第一导热层以形成高温面，第二导热层与翅片散热器连接以使第二导热层形成低温面。本发明能够将汽车空调系统产生的废热和发动机冷却系统产生的废热转换成电能，翅片散热器保证汽车废热转化为电能的稳定性。

Description

一种汽车废热温差发电装置

技术领域

本发明属于汽车废热利用设备技术领域，具体涉及一种汽车废热温差发电装置。

背景技术

数据统计，发动机运行时，汽车的动力转换效率仅为30％左右，这表明所消耗的燃油能量只有30％用于汽车的驱动、制动以及摩擦，而其余能量主要以废热形式排出车外。而废热主要体现在汽车空调系统中产生的废热以及汽车发动机冷却系统中产生的废热。

汽车空调系统中产生的废热主要体现空调夏季制冷运行过程中，冷凝器释放出的热量。汽车空调系统启动后，压缩机工作并驱使制冷剂在密封的空调系统中循环，压缩机将低温低压的气态制冷剂压缩成高温高压的气态制冷剂后排出压缩机，并经过管路流入冷凝器，高温高压的气态制冷剂进入冷凝器时，冷凝器温度大约为80℃。高温高压气态制冷剂在冷凝器内向周围空气散热冷凝降温后变成高温高压液态介质。

汽车发动机冷却系统中产生的废热是指在汽车发动机运行时，发动机除了给汽车供给动力及电力外，自身也会向外散失热量并导致发动机过热，因为发动机自身需要保持较低的温度以保证运行安全，故汽车发动机需要专门的冷却系统以吸收废热，一般以冷却液以水冷却为主，即通过气缸水道内的循环水冷却发动机，吸收发动机热量的水温度升高后引入水箱，水箱内的高温水再向周围空气散热，降低温度后再返回到水道内再次循环，进入水箱内的水温一般在90℃左右。也就是说，发动机运行时不仅自身会有废热散失，而且还要消耗额外的能量通过多重转换再给自身降温，这从能量转换角度上是非常低效的。

为加快冷凝器内的高温制冷剂与水箱内的高温水进行散热，汽车通常还配置有风扇，通过风扇增强冷凝器与水箱的散热降温，以保证冷凝器出口的制冷剂及水箱内的水温维持在一定温度范围内，而风扇电力供给来源于汽车发电机及蓄电池，发电机又是来自发动机供电。因此，现有技术中，汽车空调系统以及汽车发动机冷却系统排放的废热不仅无法利用，同时需要消耗发动机更多的能源(供给发电机再带动风扇旋转强化散热)对废热进行降温处理。

发明内容

为了解决现有技术中汽车空调系统以及汽车发动机冷却系统产生的废热无法利用以及需要消耗能源对废热进行降温处理的问题，提供了一种汽车废热温差发电装置。

为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种汽车废热温差发电装置，包括温差发电系统；汽车车头内，由前至后依次设有温差发电系统、冷凝器以及水箱；温差发电系统由数个温差发电单元组成，每一温差发电单元均由半导体温差发电机构与翅片散热器连接而成；半导体温差发电机构的两端分别为第一导热层与第二导热层，第二导热层与第一导热层在汽车车头内按照前后方向放置；还包括传导机构；水箱与冷凝器散发的热量均通过传导机构传导至第一导热层以形成高温面，第二导热层与翅片散热器连接以使第二导热层形成低温面；汽车启动后，翅片散热器与空气能持续通过强迫对流换热方式使得低温面保持较低温度，高温面与低温面之间形成电动势。

进一步地，传导机构为采用高导热碳纤维的导热带；冷凝器内制冷剂的进口管与水箱的进水管均缠绕有导热带。

进一步地，导热带远离缠绕的一端通过导热硅胶与第一导热层粘合。

进一步地，翅片板通过导热硅胶与第二导热层连接。

进一步地，翅片散热器包括与第二导热层连接的翅片板，翅片板远离第二导热层的一端设有向翅片板外倾斜的数个板状的翅片管，数个翅片管沿不同圆周方向均匀布设，并构成数圈翅片管组；从最内圈翅片管组到最外圈翅片管组，相对应的单个翅片管与翅片板的倾斜夹角θ逐渐增大；从最内圈翅片管组到最外圈翅片管组，相对应的单个翅片管的长度逐渐增大，面积逐渐增大；相邻翅片管组的翅片管交错叉排布置。

进一步地，翅片板远离第二导热层的一端中心还设有与翅片板垂直的圆筒状的翅片管筒，翅片管与翅片管筒均设有通孔。

进一步地，翅片板的四周边缘设于固定件,翅片板通过固定件与第二导热层固定。

进一步地，第一导热层与第二导热层均为高导热陶瓷片。

进一步地，汽车车头处还设风扇，固定风扇的面板处设有与单个温差发电单元尺寸相适配的缺口，温差发电单元嵌入缺口内。

进一步地，还包括稳压器与蓄电池，高温面与低温面之间形成电动势通过稳压器输送至蓄电池内。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

一、本发明通过温差发电系统将汽车空调系统产生的废热和发动机冷却系统产生的废热进行回收再利用后转换成与汽车车载电源相匹配的直流电，将汽车燃料耗散的能量进行有效地回收利用，供汽车电器设备使用，可以减轻发动机负载，降低燃油消耗率，提高汽车的综合燃油经济性，达到节能减排、提高经济效益和社会效益的目的，同时减少了对汽车废热进行降温所消耗的能源；翅片散热器独特的设计使得第二导热层拥有较高的换热效率，保证半导体温差发电机构的第二导热层一直维持在较低的温度，维持温差发电单元的第一导热层与第二导热层之间较大的温差，有效保证汽车废热转化为电能的稳定性；采用汽车空调系统和汽车冷却系统两部分热源为温差发电系统提供热量，使得温差发电系统一年四季均能持续不断为蓄电池供电；

二、导热带采用高导热碳纤维带，导热系数高，柔韧性能好，同时在长度方向上具有超强导热性能，在横向具有绝热的特性，保证空调系统产生的废热和发动机冷却系统产生的废热能通过软连接方式高效传递给温差发电单元，辅助空调系统和空调冷却系统的散热，降低了汽车油耗；

三、导热硅胶可以很好的填充接触面的间隙,将接触面之间的空气挤出,防止接触面内的空气阻碍热量在接触面之间传递；通过导热硅胶使得相互接触的面更加充分的换热，使接触面之间具有较小的温差；

四、本发明中的翅片散热器通过设置外倾斜的数个翅片管以及与翅片板垂直的翅片管筒，极大强化了空气与第二导热面的换热效率，保证了第二导热面的低温稳定性，保证低温面能维持较低温度，与高温面形成较大温差，保证了温差发电的效率与稳定性；

五、温差发电单元体积小，结构紧凑，通过将温差发电单元嵌入至风扇面板上，使得温差发电系统不占用任何空间并与汽车部件完美结合，不影响现有汽车构造；温差发电单元的功率值以及温差发电单元的数量能够进行灵活调整，以适应各类需求。

六、采用本装置可回收利用大部分废热，同时大大降低了冷凝器和水箱的温度，风扇的功耗也随之降低，巧妙的提高了能量利用效率，节能降耗。

附图说明

图1为本发明实施例温差发电单元结构图；

图2为本发明实施例汽车废热温差发电装置连接示意图；

图3为本发明实施例风扇面板结构图；

图4为本发明实施例翅片散热器后视图；

图5为本发明实施例翅片散热器前视图；

图6为本发明实施例翅片散热器整体结构图；

图7为本发明实施例翅片管与翅片板的倾斜夹角θ示意图；

图8为本发明实施例原理图。

1温差发电单元、2冷凝器、3水箱、4半导体温差发电机构、5翅片散热器、6翅片管、7翅片板、8第一导热层、9第二导热层、10导热带、11进口管、12进水管、13导热硅胶、14通孔、15固定件、16风扇、17面板、18缺口、19翅片管筒。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

如图1-6所示，本实施例一种汽车废热温差发电装置，包括温差发电系统与传导机构。汽车车头内，由前至后依次设有温差发电系统、冷凝器2以及水箱3。温差发电系统由数个温差发电单元1组成，每一温差发电单元1均由半导体温差发电机构4与翅片散热器5连接而成。半导体温差发电机构4的两端分别为第一导热层8与第二导热层9，第二导热层9与第一导热层8在汽车车头内按照前后方向放置。水箱3与冷凝器2散发的热量均通过传导机构传导至第一导热层8以形成高温面，之后，热量传导至第二导热层9并经过翅片散热器5进行高效散热。第二导热层9与翅片散热器5连接以使第二导热层9形成低温面。翅片散热器5位于车头内最前方，以便于汽车在行驶中产生的对流空气正对翅片散热器5，增大翅片散热器5的散热效率。汽车启动后，翅片散热器5与空气能持续通过强迫对流换热方式使得低温面保持较低温度，高温面与低温面之间形成电动势。

因此，本实施例通过温差发电系统将汽车空调系统产生的废热和发动机冷却系统产生的废热进行回收再利用后转换成与汽车车载电源相匹配的直流电，将汽车燃料耗散的能量进行有效地回收利用，供汽车电器设备使用，可以减轻发动机负载，降低燃油消耗率，提高汽车的综合燃油经济性，达到节能减排、提高经济效益和社会效益的目的，同时减少了对汽车废热进行降温所消耗的能源。翅片散热器5较高的换热效率使半导体温差发电机构4的第二导热层9一直维持在较低的温度，保证温差发电单元1的第一导热层8与第二导热层9之间较大的温差，有效保证汽车废热转化为电能的稳定性。采用汽车空调系统和汽车冷却系统两部分热源为温差发电系统提供热量，使得温差发电系统一年四季均能持续不断为蓄电池供电。

本实施例的温差发电系统由十六组温差发电单元1相互并联构成，并联的具体数量可以根据实际情况进行调整。当冷凝器2与水箱3产生的热量较多时，温差发电系统吸收的热量多，相应转换成的电量较多。当冷凝器2与水箱3产生的热量较少，第一导热层8的温度较低时，温差发电系统自动停止工作。

如图2所示，传导机构为采用高导热碳纤维的导热带10。冷凝器2内制冷剂的进口管11与水箱3的进水管12均缠绕有导热带10。导热碳纤维是一种为热工设计所开发的高导热碳纤维材料，在纤维方向上的导热系数最高可以达到700W/m·K，同时具有良好的机械性能、导电性能和优异的导热及辐射散热能力，柔韧性能好，能够进行缠绕。碳纤维制成的纤维状高导热碳粉本身呈纤维状，可以设计导热取向，在长度方向上具有超强导热性能，而在横向具有绝热的特性，保证空调系统产生的废热和发动机冷却系统产生的废热能通过软连接方式高效传递给温差发电单元1。冷凝器2内制冷剂的进口管11与水箱3的进水管12的温度均较高，因此，在进口管11与进水管12上缠绕导热带10，通过导热带10将热量传递到温差发电系统的高温面，辅助空调系统和空调冷却系统的散热，降低了汽车油耗。导热带10同时具有单向导热的性质，只允许将进口管11和进水管12上的热量传递给温差发电系统的高温面，防止热量反向传递。导热带10远离缠绕的一端通过导热硅胶13与第一导热层8粘合。

如4-7所示，翅片散热器5包括与第二导热层9连接的翅片板7，翅片板7远离第二导热层9的一端设有向翅片板7外倾斜的数个板状的翅片管6，数个翅片管6沿不同圆周方向均匀布设，并构成数圈翅片管组。从最内圈翅片管组到最外圈翅片管组，相对应的单个翅片管6与翅片板7的倾斜夹角θ逐渐增大。从最内圈翅片管组到最外圈翅片管组，相对应的单个翅片管6的长度逐渐增大，面积逐渐增大。相邻翅片管组的翅片管6交错叉排布置。翅片板7远离第二导热层9的一端中心还设有与翅片板7垂直的圆筒状的翅片管筒19，以强化中心处狭小面积空间的散热。翅片管6与翅片管筒19均设有通孔。

汽车行驶时，自然风将通过翅片散热器与第二导热面(低温面)进行强制对流换热，汽车前盖内部空间有多种发热器件，低温面如果不增加翅片散热器，散热效果较差，很容易迅速升温，温差发电单元温差减少，会大大影响温差发电单元的发电效率。低温面增加本实施例的翅片散热器5后，会极大增强自然风与低温面的换热效率，保证低温面能维持较低温度，与高温面形成较大温差，保证了温差发电的效率与稳定性。

本实施例通过板状的翅片管6沿不同圆周倾斜安装、倾角由内向外逐渐增大的布置方式以及翅片管6的多孔的设计，从多个方面增强了空气与翅片散热器的换热效果。首先，多个翅片管6倾斜状发散出的空间将极大增加冷风与翅片管6的换热面积；其次，冷风从外侧吹进多孔及交错布置的翅片管束空间，阻力大大增加，冷风需要在复杂的空间里上下左右方向上变换弯曲行进，会导致翅片管6空间内气流紊乱交错，由于汽车行进时风量及流速较大，也一直有新风补给，所以会持续高效的与翅片管6进行换热。此外，中心区域的圆筒状的翅片管筒19及翅片管筒19的多孔设计将使进入的冷风形成旋流效果，这也保证了中心区域的换热。因此，本实施例的翅片散热器极大强化了空气与第二导热面的换热效率，保证了第二导热面的低温稳定性，进而保证温差发电模块的发电效率。

翅片板7通过导热硅胶13与第二导热层9连接。其中，导热硅胶13可以很好的填充接触面的间隙,将接触面之间的空气挤出,防止接触面内的空气阻碍热量在接触面之间传递。通过导热硅胶13使得相互接触的面更加充分的接触，使接触面之间具有较小的温差。为进一步翅片板7与第二导热层9之间的连接强度，翅片板7的四周边缘设于固定件15，固定件15内设有螺栓，翅片板7通过固定件15与第二导热层9固定。为便于热量的传递，第一导热层8与第二导热层9均为高导热陶瓷片。

如图3所示，汽车车头处还设风扇16。为便于放置温差发电单元1，固定风扇16的面板17处设有与温差发电单元1尺寸相适配的缺口18，缺口18的数量与温差发电单元1的数量一致，温差发电单元1嵌入缺口18内。温差发电单元1体积小，结构紧凑，通过将温差发电单元1嵌入至风扇16的面板17上，使得温差发电系统不占用任何空间并与汽车部件完美结构，不影响现有汽车构造。温差发电单元1的功率值以及温差发电单元1的数量能够进行灵活调整，以适应各类需求。

汽车车头处的风扇16不仅能够直接对冷凝器2与水箱3产生的废热进行降温，而且还能够增强翅片散热器5的散热效率，保证第二道热层9的低温性能，增大温差发电单元1的第一导热层8与第二导热层9之间的温差，也保证汽车废热转化为电能的稳定性。当冷凝器2与水箱3产生的废热较少时，直接使用温差发电单元1对废热进行降温。当冷凝器2与水箱3产生的废热较多、温差发电单元降温效果无法满足冷凝器及发动机安全温度时，风扇16与温差发电单元1系统联合使用对废热进行降温。因此，本实施例在废热再次利用的基础上，还能够减少汽车原本对废热进行处理的能源消耗，即减少风扇耗能。

汽车在不同工况下运动时，冷端和热端温度各不相同，因此产生的电压和电流也不稳定。为了满足车载电器供电需求和汽车蓄电池充电需求，本实施例还包括稳压器，稳压器内装有逆变控制电路或者DC/DC变换控制电路，温差发电系统与稳压装置连接。如图8所示，本实施例还包括蓄电池，所高温面与低温面之间形成电动势通过稳压器输送至蓄电池内，或直接输送至原有车载蓄电池内，为汽车其他耗电装置供电。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种汽车废热温差发电装置，其特征在于：

包括温差发电系统；汽车车头内，由前至后由前至后依次设有温差发电系统、冷凝器(2)以及水箱(3)；

温差发电系统由数个温差发电单元(1)组成，每一温差发电单元(1)均由半导体温差发电机构(4)与翅片散热器(5)连接而成；半导体温差发电机构(4)的两端分别为第一导热层(8)与第二导热层(9)，第二导热层(9)与第一导热层(8)在汽车车头内按照前后方向放置；

还包括传导机构；水箱(3)与冷凝器(2)散发的热量均通过传导机构传导至第一导热层(8)以形成高温面，第二导热层(9)与翅片散热器(5)连接以使第二导热层(9)形成低温面；汽车启动后，翅片散热器(5)与空气能持续通过强迫对流换热方式使得低温面保持较低温度，高温面与低温面之间形成电动势。

2.根据权利要求1所述的汽车废热温差发电装置，其特征在于：传导机构为采用高导热碳纤维的导热带(10)；冷凝器(2)内制冷剂的进口管(11)与水箱(3)的进水管(12)均缠绕有导热带(10)。

3.根据权利要求2所述的汽车废热温差发电装置，其特征在于：导热带(10)远离缠绕的一端通过导热硅胶(13)与第一导热层(8)粘合。

4.根据权利要求1所述的汽车废热温差发电装置，其特征在于：翅片散热器(5)包括与第二导热层(9)连接的翅片板(7)，翅片板(7)远离第二导热层(9)的一端设有向翅片板(7)外倾斜的数个板状的翅片管(6)，数个翅片管(6)沿不同圆周方向均匀布设，并构成数圈翅片管组；从最内圈翅片管组到最外圈翅片管组，相对应的翅片管(6)与翅片板(7)的倾斜夹角θ逐渐增大，相对应的翅片管(6)的长度和面积均逐渐增大；相邻翅片管组的翅片管(6)交错叉排布置。

5.根据权利要求4所述的汽车废热温差发电装置，其特征在于：翅片板(7)远离第二导热层(9)的一端中心还设有与翅片板(7)垂直的圆筒状的翅片管筒(19)，翅片管(6)与翅片管筒(19)均设有通孔。

6.根据权利要求5所述的汽车废热温差发电装置，其特征在于：翅片板(7)通过导热硅胶(13)与第二导热层(9)连接。

7.根据权利要求6所述的汽车废热温差发电装置，其特征在于：翅片板(7)的四周边缘设于固定件(15),翅片板(7)通过固定件(15)与第二导热层(9)固定。

8.根据权利要求7所述的汽车废热温差发电装置，其特征在于：第一导热层(8)与第二导热层(9)均为高导热陶瓷片。

9.根据权利要求1所述的汽车废热温差发电装置，其特征在于：汽车车头处还设风扇(16)，固定风扇(16)的面板(17)处设有与单个温差发电单元(1)尺寸相适配的缺口(18)，温差发电单元(1)嵌入缺口(18)内。

10.根据权利要求1所述的汽车废热温差发电装置，其特征在于：还包括稳压器与蓄电池，高温面与低温面之间形成电动势通过稳压器输送至蓄电池内。