CN112886868A - 一种基于热管-相变材料的蓄热式汽车排气温差发电装置 - Google Patents

一种基于热管-相变材料的蓄热式汽车排气温差发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于热管‑相变材料的蓄热式汽车排气温差发电装置，属于汽车排气余热回收技术领域。该温差发电装置包括集热器和相变储能装置，集热器和相变储能装置之间设有热管，相变储能装置的壳体内部填充有相变材料LiNO3‑NaCl；通过集热器和热管将汽车排气热量传递给温差发电片热端，温差发电片的冷端由水泵控制冷却水进行冷却，温差发电片的两端形成温差产生电动势，并通过稳压控制器将其存储到蓄电池组中。本发明通过热管强化换热，可以有效提高温差发电装置的性能；通过相变储能装置储能，可延长温差发电装置的发电时间且有效避免温差发电装置疲劳损坏，延长其使用寿命。

Description

一种基于热管-相变材料的蓄热式汽车排气温差发电装置
技术领域
本发明涉及汽车排气余热回收技术领域，具体涉及一种基于热管-相变材料的蓄热式汽车排气温差发电装置。
背景技术
截至到2020年上半年，我国汽车保有量已经达到2.75亿辆，汽车保有量的增长带来的不仅是燃油能耗的增加，还有日益突出的环境污染问题。因此，提高汽车发动机的能源利用率迫在眉睫。有关研究表明，汽车燃料燃烧的能量仅有30％被转化为汽车行驶的有效功，40％的能量随着汽车尾气排放到大气中。如果能够对这部分能量进行回收利用，将会极大提高燃料燃烧化学能的利用率。
温差发电装置是一种基于温差发电片的能量转换装置，其可直接将热能转化为电能，具有无噪音、无需化学反应、结构简单等优点。但将温差发电装置应用到汽车排气余热回收时，汽车在行驶过程中工况的不断变化导致其排气温度的不断变化，使得温差发电片热端温度频繁变化，给温差发电模块的应用带来极大的挑战。一方面，温差发电模块通常由P/N型半导体、导热陶瓷板、导热垫片等材料焊接而成，各材料热膨胀系数不同，当其热端温度不断波动时，不同材料的接头处将产生热应力，极有可能会造成温差发电模块的疲劳损坏。另一方面，温差发电片热端温度波动会引起电压的波动，这将极大增加输出电能的利用难度，同时也会增加稳压电路的负担。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于热管-相变材料的蓄热式汽车排气温差发电装置，减小温度波动对温差发电片的损害，缓解稳压系统负担，同时通过热管和相变材料的传热，有效利用集热器内部温度，进而提高传热速率，减小热量损失。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于热管-相变材料的蓄热式汽车排气温差发电装置，包括集热器和相变储能装置；所述集热器外侧设有外形与集热器匹配的相变储能装置，所述相变储能装置包括壳体和相变材料，壳体内部填充有相变材料LiNO3-NaCl，其中LiNO3的质量占比13.5％、NaCl的质量占比86.5％；所述集热器与相变储能装置之间设有热管，热管蒸发段伸入集热器内部，热管冷凝段伸入相变储能装置内部，且与相变材料接触；所述相变储能装置外侧固定有温差发电片和冷却水通道。
上述技术方案中，所述热管冷凝段外围布置有环形或螺旋型的翅片。
上述技术方案中，所述相变材料的相变温度为255℃，熔化热为354kJ·kg-1。
上述技术方案中，所述热管为吸液芯型热管，热管分为蒸发段、绝热段与冷凝段。
上述技术方案中，所述集热器通过排气管道与发动机连接。
上述技术方案中，所述发动机还通过排气管道连通三通管，且排气管道与三通管连通的管道上设有电磁阀。
上述技术方案中，所述温差发电片与相变储能装置、冷却水通道的接触面之间均涂有高性能导热硅脂。
上述技术方案中，所述温差发电片列内模块并联、列间模块串联。
上述技术方案中，所述冷却水通道与水温控制器、冷却水泵、冷却水箱依次相连接。
上述技术方案中，所述温差发电片与DC/DC稳压控制器、蓄电池组、蓄电池管理装置依次相连接，蓄电池组与用电负载连接。
本发明的有益效果为：
1)本发明集热器内布置有吸液芯型热管，热管冷凝段设置有环形或螺旋形翅片，翅片可以增加相变材料提取热量的有效面积传输更多热量，热管蒸发段伸入到集热器内部，借助吸液芯型热管内工质发生汽化/液化，将集热器内部热量传递到相变材料中，相变材料存储一部分热量，其余热量传递到温差发电片热端；相变材料热缓冲作用能够有效稳定温差发电片热端温度，减小汽车行驶过程中汽车排气温度变化对温差发电片热端温度的影响，降低温差发电片热端温度波动幅度，进而减小输出电压波动，缓解稳压电路的负担；此外，相变材料存储的潜热在汽车排气温度低于相变材料温度时，能够释放潜热继续维持温差发电片热端温度，延长其发电时间。
2)本发明排气管道上焊接有三通管并布置有电磁阀，电磁阀将在温差发电片热端即将达到正常工作最高可承受温度时动作，限制集热器进气量，多余气体流经三通管排放。
3)本发明在同一平面内布置的温差发电片列内并联、列间串联，提高了温差发电装置的发电效率。
4)本发明的水温控制器用于控制冷却水泵工作情况，通过检测冷却水温度控制冷却水循环的速度，确保温差发电片较低的冷端温度。
5)本发明利用蓄电池管理装置将对蓄电池组状态进行监测，控制蓄电池组的充放电。
附图说明
图1为本发明所述基于热管-相变材料的蓄热式汽车排气温差发电装置示意图；
图2为本发明所述相变材料相变过程的能量温度变化示意图；
图3为本发明所述集热器结构示意图；
图4为本发明所述热管布置示意图；
图5为本发明热管结构示意图；
图6为本发明热管内部工作原理示意图；
图7为本发明所述相变储能装置结构示意图；
图8为本发明所述夹紧装置结构示意图。
图中：1-发动机，2-排气管道，3-温差发电片，4-集热器，4-1-热管，4-2-翅片，5-相变储能装置，6-DC/DC稳压控制器，7-冷却水通道，8-夹紧装置，9-蓄电池管理装置，10-用电负载，11-蓄电池组，12-冷却水箱，13-冷却水泵，14-水温控制器，15-三通管，16-电磁阀。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例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所示，本发明的基于热管-相变材料的蓄热式汽车排气温差发电装置，包括发动机1、排气管道2、温差发电片3、集热器4、相变储能装置5、DC/DC稳压控制器6、冷却水通道7、夹紧装置8、蓄电池管理装置9、用电负载10、蓄电池组11、冷却水箱12、冷却水泵13、水温控制器14、三通管15以及电磁阀16。
发动机1通过排气管道2与集热器4连接，发动机1还通过排气管道2连通三通管15，三通管15与排气管道2的连接方式为焊接，且排气管道2与三通管15连通的管道上设有电磁阀16，电磁阀16在温差发电片3热端即将达到正常工作最高可承受温度时动作，限制集热器4进气量，多余气体流经三通管15排放。
集热器4外侧设有外形与集热器4匹配的相变储能装置5(图7)，相变储能装置5包括壳体和相变材料，壳体内部填充有相变材料LiNO3-NaCl，其中LiNO3的质量占比13.5％、NaCl的质量占比86.5％，该相变材料相变温度为255℃，熔化热为354kJ·kg-1。相变材料在相变过程中能吸收巨大的潜热且温度基本保持不变，在相变过程中具有较好的热缓冲作用，能够有效稳定温差发电片3热端温度，减小汽车行驶过程中汽车排气温度变化对温差发电片3热端温度的影响，降低温差发电片3热端温度波动幅度，进而减小输出电压波动，缓解稳压电路的负担。此外，相变材料存储的潜热在汽车排气温度低于相变材料温度时，能够释放潜热继续维持温差发电片3热端温度，延长其发电时间；图2所示为相变材料相变过程的能量温度变化。
如图3、4所示，集热器4壁面设置有若干热管4-1，热管4-1冷凝段外围布置有翅片4-2，翅片4-2为环形或螺旋型(图5)，环形的个数根据实际需要设置，以增加相变材料提取热量的有效面积，传输更多热量。
热管4-1为吸液芯型热管，如图6所示，热管4-1根据内部传热特征不同，区域可划分为蒸发段、绝热段与冷凝段，热管4-1吸液芯蒸发段中液体工质受热汽化蒸发形成蒸汽工质，蒸汽工质蒸发通过绝热段并于冷凝段凝结液化释放热量，凝结液进入吸液芯冷凝段形成液体工质，液体工质通过毛细压力流回蒸发段完成工质的循环。
热管4-1布置在集热器4与相变储能装置5之间，且热管4-1蒸发段伸入集热器4内部，热管4-1冷凝段伸入相变储能装置5内部，且与相变材料接触，相变材料存储一部分热量，其余热量传递到温差发电片3热端。
如图8所示，相变储能装置5外侧通过夹紧装置8依次固定有温差发电片3和冷却水通道7，温差发电片3与相变储能装置5、冷却水通道7的接触面之间均涂有高性能导热硅脂；温差发电片3列内模块并联、列间模块串联，即横向并联、轴向串联。
冷却水通道7与水温控制器14、冷却水泵13、冷却水箱12依次相连接，水温控制器14用于控制冷却水泵13工作情况，水温控制器14通过检测冷却水温度控制冷却水循环的速度，确保温差发电片3较低的冷端温度；温差发电片3与DC/DC稳压控制器6、蓄电池组11、蓄电池管理装置9依次相连接，蓄电池组11与用电负载10连接。
本发明基于热管-相变材料的蓄热式汽车排气温差发电装置的工作原理为：汽车发动机1产生的排气通过排气管道2经过集热器4，通过集热器4壁面和热管4-1将热量传递给相变材料，热量再通过相变储能装置5壳体壁面传递给温差发电片3；通过冷却水泵13使得冷却水箱12中的冷却水流经冷却水通道7，从而对温差发电片3进行降温；温差发电片3利用冷热端形成的温差将形成电动势，连接DC/DC稳压控制器6将电能传输到蓄电池组11中，通过蓄电池管理装置9控制蓄电池组11充放电。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于热管-相变材料的蓄热式汽车排气温差发电装置，其特征在于，包括集热器(4)和相变储能装置(5)；所述集热器(4)外侧设有外形与集热器(4)匹配的相变储能装置(5)，所述相变储能装置(5)包括壳体和相变材料，壳体内部填充有相变材料LiNO3-NaCl，其中LiNO3的质量占比13.5％、NaCl的质量占比86.5％；所述集热器(4)与相变储能装置(5)之间设有热管(4-1)，热管(4-1)蒸发段伸入集热器(4)内部，热管(4-1)冷凝段伸入相变储能装置(5)内部，且与相变材料接触；所述相变储能装置(5)外侧固定有温差发电片(3)和冷却水通道(7)。
2.如权利要求1所述的蓄热式汽车排气温差发电装置，其特征在于，所述热管(4-1)冷凝段外围布置有环形或螺旋型的翅片(4-2)。
3.如权利要求1所述的蓄热式汽车排气温差发电装置，其特征在于，所述相变材料的相变温度为255℃，熔化热为354kJ·kg-1。
4.如权利要求1所述的蓄热式汽车排气温差发电装置，其特征在于，所述热管(4-1)为吸液芯型热管，热管(4-1)分为蒸发段、绝热段与冷凝段。
5.如权利要求1所述的蓄热式汽车排气温差发电装置，其特征在于，所述集热器(4)通过排气管道(2)与发动机(1)连接。
6.如权利要求5所述的蓄热式汽车排气温差发电装置，其特征在于，所述发动机(1)还通过排气管道(2)连通三通管(15)，且排气管道(2)与三通管(15)连通的管道上设有电磁阀(16)。
7.如权利要求1所述的蓄热式汽车排气温差发电装置，其特征在于，所述温差发电片(3)与相变储能装置(5)、冷却水通道(7)的接触面之间均涂有高性能导热硅脂。
8.如权利要求1所述的蓄热式汽车排气温差发电装置，其特征在于，所述温差发电片(3)列内模块并联、列间模块串联。
9.如权利要求1所述的蓄热式汽车排气温差发电装置，其特征在于，所述冷却水通道(7)与水温控制器(14)、冷却水泵(13)、冷却水箱(12)依次相连接。
10.如权利要求1所述的蓄热式汽车排气温差发电装置，其特征在于，所述温差发电片(3)与DC/DC稳压控制器(6)、蓄电池组(11)、蓄电池管理装置(9)依次相连接，蓄电池组(11)与用电负载(10)连接。
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