CN111917335B - 基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器 - Google Patents

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Abstract

基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器，利用半导体温差发电技术来回收汽车尾气中的余热能，高温废气经过复合式变截面废气通道，通过高温废气沿程方向上横截面的面积逐渐减小的方式，进而改变尾气和半导体热电模块热端面间的传热系数，最终通过传热热阻的变化实现半导体热电模块表面温度在流体流动方向上的小梯度变化，保证热电材料在最优工作区域内工作，从而提高热电转换效率，增大输出功率，本发明解决了高温废气余热能在热电转换利用过程中热电转化效率低的问题。

Description

基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器
技术领域
本发明属于余热能回收技术领域，涉及基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器。
背景技术
随着全球科技水平的快速发展，人类社会尤其是城市已经迈入了汽车时代。近年来，中国汽车销量快速增长，汽车在行驶过程中只消耗不到30％的能量，有约70％的能量转化为废热并以尾气的形式排放到空气中，造成了严重的空气污染。汽车排放到空气中的尾气温度可以高达600℃-700℃。如果将这部分热量回收，将有利于解决能源短缺和利用问题。因此，如何有效地回收利用尾气中的能量已经成为了人们关注的焦点。温差发电器是基于塞贝克效应制作而成的固态元件，其工作原理是在两块不同性质的半导体两端设置一个温差，于是在半导体两端就产生了直流电压。温差发电器可将热能直接转换成电能，并且在转换过程中不需要机械部件，不需要驱动力以及传动***，因此，具有无污染、无磨损、重量轻、体积小、寿命长、性能稳定等优点。目前，随着全球工业化的出现，我们正面临着能源危机和环境恶化的威胁，人类的发展需要更多地关注绿色能源技术，这使得半导体温差发电技术越来越引起人们的关注。但一般温差发电器将余热能转化为电能的效率较低，且输出功率较小，所以多用于小型电源。
利用半导体温差发电技术来回收汽车尾气中的余热能，并将其转化为储存在蓄电池中的电能，成为当前日渐青睐的废热回收技术之一。在热电***中，半导体温差发电器的输出功率和工作效率都是热电材料优值系数(ZT值)的函数，且随ZT值的增大而增大。但由于热电材料具有较强的温度依存性，ZT值随热源温度的不同而变化，只有在其最优工作温度下ZT值才会获得较高值，因此热电***的高转换效率需与热源温度相匹配。而汽车尾气具有较高的温度，为充分回收余热能，流经温差发电器后的最终排放温度较低，由此，流体通道方向较长，且沿尾气流动的方向上流体温度不断降低，在相同的换热条件下，将导致半导体温差发电器热端面表面温度也随之不断降低，热电材料表面则存在较大的温度梯度。考虑热电材料温度依存性的影响，沿程方向存在的大温度梯度势必会对热电器性能的发挥产生影响，只有热源在适合的温度工况下工作时，热电材料才能获得高性能发挥。当热源温度远离这个工况时，热电材料将无法发挥出最佳性能，热电转换效率将大大降低。因此，在充分利用废气余热的同时，如何实现热电器与热电材料的优化匹配是关键。
现有热电技术中均采用常规矩形或正多面体等截面平板或圆筒结构的尾气换热通道，很少考虑流体流动方向上温度梯度的影响，即便考虑也只是从改善热电材料性能进而去适应温度梯度的角度，受限于热电材料技术的发展。本设计则充分考虑废气余热温差发电***的温度梯度特征，并基于换热传热机理从减少热电器沿程温度梯度的角度，来实现热电性能的有效提高。
发明内容
本发明为解决高温废气余热能在热电转换利用过程中产生的沿程大温度梯度给热电材料性能造成的不利影响，提出一种基于热电材料温度依存性的新型高效温差发电器，通过改变尾气和半导体热电模块热端面间的传热系数，进而通过传热热阻的变化实现半导体热电模块表面温度在流体流动方向上的小梯度温度变化，保证热电材料工作在最优工作区域内，从而提高热电转换效率，增大输出功率。
本发明采用如下的技术方案：
基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器，包括保温壁1、设置在保温壁之间的多级废气温差发电器单元和蓄电池，其特征在于：
每一级废气温差发电器单元包括第一废气通道2和第二废气通道2’，所述第一废气通道2和第二废气通道2’之间设置两组半导体热电模块3，两组半导体热电模块3之间设置冷却水通道4；所述第一废气通道2和第二废气通道2’均为变截面废气通道，在废气流沿程方向上截面逐渐减小，第二废气通道2’进口处截面小于第一废气通道2出口处截面；
下一级废气温差发电单元的第一废气通道2进口处截面小于上一级废气温差发电单元的第二废气通道2’出口处截面；
相邻两级废气温差发电器单元设置两组半导体热电模块3，该两组半导体热电模块3之间设有冷却水通道4；
所述变截面废气通道作为半导体热电模块3的高温热源，所述冷却水通道4中的冷却水作为半导体热电模块3的低温冷源，所述半导体热电模块3两端分别串联和/或并联连接至所述蓄电池两端。
在每一级废气温差发电器单元中，半导体热电模块3分别紧贴着第一废气通道2和第二废气通道2’的对应侧壁，冷却水通道4对应侧壁紧贴着其两侧相邻的半导体热电模块3。
高温废气通过第一级废气温差发电器单元的第一废气通道2入口处进入，由第一废气通道2出口处流出并进入第二废气通道2’入口处，之后从第二废气通道2’出口处流出并进入下一级废气温差发电器单元的第一废气通道2，最终从温差发电器最后一级废气温差发电单元的第二废气通道2’出口处流出。
所述非均匀流速复合温差发电器包括两级废气温差发电器单元。
在每一级废气温差发电器单元中，第一废气通道2和第二废气通道2’之间的两组半导体热电模块3平行且倾斜放置，与竖直的保温壁1所构成的角度为30°至60°。
相邻两级废气温差发电器单元之间的两组半导体热电模块3互相平行，且与废气温差发电器装置底部成90°垂直放置。
所述的半导体热电模块3由P型热电材料和N型热电材料相互交替串联而成。
所述半导体热电模块3热电材料在优值系数ZT值的正常工作温度域工作，其中ZT＝S2σT/K，ZT是半导体热电模块3热电材料的热电优值，S为半导体热电模块3热电材料塞贝克系数，σ为半导体热电模块3热电材料电导率，K为半导体热电模块3热电材料热导率，T为半导体热电模块3热电材料温度。
废气温差发电装置运用复合式变截面废气通道中高温热源和冷却水通道4中低温冷源的温差发电，利用半导体塞贝克效应将热能转化为电能。
所述废气温差发电器单元的级数根据废气的流量、半导体热电模块3的热物性具体设定。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
本发明重点考虑了热电材料温度依存性的影响，通过采用改变尾气通道的传热换热条件进而改变传热热阻的方法，减小半导体热电模块热端表面在流体流动方向的沿程温度梯度，保证半导体温差发电器热端面温度始终与热电材料最优工作温度相匹配，从而实现提高***能效，达到节能减排的目的。
附图说明
图1是非均匀流速复合温差发电器的主视图；
图2是非均匀流速单体温差发电单元结构装配的立体示意图；
图中各个标号表示的意义为：1-保温壁，2-第一废气通道，2’-第二废气通道，3-半导体热电模块，4-冷却水通道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
基于热电材料温度依存性的新工作原理下的温差发电器结构的工作原理在于：通过改变尾气换热器热源通道的对流换热热阻，使流体在流动方向上的传热效果发生变化，进而改变热电材料高温表面上的换热情况，基于热电材料温度依存性进行换热条件的匹配，最终达到的理想目的在于：尽管流体在流体方向上温度不断降低，具有非常高的沿程温度梯度，但由于流体与温差发电器间的换热条件在不断增强，温差发电器热表面的温度在沿程方向上的变化实际并不大；当热表面温度控制在热电材料最优工作区间时，热电性能即可得到最大的发挥，实现温差发电器的高转换效率；技术及结构设计上兼顾温差发电器安装于汽车上的紧凑便捷性及可行性。
本申请公开了基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器，如附图1所示。
基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器，包括保温壁1、设置在保温壁之间的多级废气温差发电器单元和蓄电池。
每一级废气温差发电器单元包括第一废气通道2和第二废气通道2’，第一废气通道2和第二废气通道2’之间设置两组半导体热电模块3，两组半导体热电模块3之间设置冷却水通道4；第一废气通道2和第二废气通道2’均为变截面废气通道，在废气流沿程方向上截面逐渐减小，第二废气通道2’进口处截面小于第一废气通道2出口处截面；
下一级废气温差发电单元的第一废气通道2进口处截面小于上一级废气温差发电单元的第二废气通道2’出口处截面；
相邻两级废气温差发电器单元设置两组半导体热电模块3，该两组半导体热电模块3之间设有冷却水通道4；
变截面废气通道作为半导体热电模块3的高温热源，冷却水通道4中的冷却水作为半导体热电模块3的低温冷源，半导体热电模块3两端分别串联和/或并联连接至所述蓄电池两端。
在每一级废气温差发电器单元中，半导体热电模块3分别紧贴着第一废气通道2和第二废气通道2’的对应侧壁，冷却水通道4对应侧壁紧贴着其两侧相邻的半导体热电模块3。
高温废气通过第一级废气温差发电器单元的第一废气通道2入口处进入，由第一废气通道2出口处流出并进入第二废气通道2’入口处，之后从第二废气通道2’出口处流出并进入下一级废气温差发电器单元的第一废气通道2，最终从温差发电器最后一级废气温差发电单元的第二废气通道2’出口处流出。
每一级废气温差发电单元的第一废气通道2和第二废气通道2’之间，以及相邻两级废气温差发电单元的第一废气通道2和第二废气通道2’之间均间隔着两层半导体热电模块3及一个冷却水通道4，并将冷却水通道4置于两层半导体热电模块3之间。高温废气流入变截面废气通道，低温冷却水流入冷却水通道4，变截面废气通道作为半导体热电模块3的高温热源，冷却水通道4中的冷却水作为半导体热电模块3的低温冷源，半导体热电模块3两端分别串联和/或并联连接至蓄电池两端，半导体热电模块3在温差作用下通过塞贝克效应发电。
由于流入变截面废气通道的废气体积流量一定，逐渐变小的截面面积使得沿程方向上的流体流速逐渐变大，高温废气和半导体热电模块3热端面间的对流换热系数逐渐变大，进而使高温废气和半导体热电模块3热端面间的传热效果不断增强，最终实现半导体热电模块热端面的表面温度沿程方向变化幅度不大，保证热电材料发挥出优异的工作性能。可见，本领域技术人员清楚，在每一级废气温差发电单元中，当废气流沿程方向上第一废气通道2和第二废气通道2’的截面逐渐减小且第二废气通道2’进口处截面小于第一废气通道2出口处截面，均能达到上述技术效果。但为了保证热电材料发挥出最佳工作性能，使得半导体温差发电器的热电转换效率最高。本发明优选采用如附图2所示的温差发电单元结构装配方式。
在附图2中，所述第一通道截面为倒梯形设置，第一废气通道2入口处的横截面积最大，废气流沿程方向上截面逐渐减小，第一废气通道2和半导体导电模块3相邻的一侧倾斜设置。同样第二废气通道的为正梯形结构，其变截面废气通道入口处的横截面积最大，废气流沿程方向上截面逐渐减小，第二废气通道2’和半导体导电模块3相邻的一侧倾斜设置。
在本申请实施例中，将第一废气通道2和第二废气通道2’的之间的两组半导体热电模块3平行且倾斜放置，与竖直的保温壁1所构成的角度为30°至60°。优选将相邻两级废气温差发电器单元之间的两组半导体热电模块3互相平行，且与废气温差发电器装置底部成90°垂直放置。
半导体热电模块3由P型热电材料和N型热电材料相互交替串联而成。
半导体热电模块3热电材料在优值系数ZT值的正常工作温度域工作，其中ZT＝S2σT/K，ZT是半导体热电模块3热电材料的热电优值，S为半导体热电模块3热电材料塞贝克系数，σ为半导体热电模块3热电材料电导率，K为半导体热电模块3热电材料热导率，T为半导体热电模块3热电材料温度。
废气的流量、温度物性参数，以及所选半导体热电材料属性，决定着废气温差发电器单元的级数安排，以及在每一级废气温差发电器单元中半导体热电模块3与竖直的保温壁1所构成的倾斜角度的选择。优选例为根据废气的流量、温度等物性和外界条件来具体优化确定废气温差发电器单元的级数。这些都在本发明的保护范围之内。
废气温差发电装置运用复合式变截面废气通道中高温热源和冷却水通道4中低温冷源的温差发电，利用半导体塞贝克效应将热能转化为电能。
废气温差发电器单元的级数根据废气的流量、半导体热电模块3的热物性具体设定。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器，包括保温壁(1)、设置在保温壁之间的多级废气温差发电器单元和蓄电池，其特征在于：
每一级废气温差发电器单元包括第一废气通道(2)和第二废气通道(2’)，所述第一废气通道(2)和第二废气通道(2’)之间设置两组半导体热电模块(3)，两组半导体热电模块(3)之间设置冷却水通道(4)；所述第一废气通道(2)和第二废气通道(2’)均为变截面废气通道，在废气流沿程方向上截面逐渐减小，第二废气通道(2’)进口处截面小于第一废气通道(2)出口处截面；
下一级废气温差发电单元的第一废气通道(2)进口处截面小于上一级废气温差发电单元的第二废气通道(2’)出口处截面；
相邻两级废气温差发电器单元设置两组半导体热电模块(3)，该两组半导体热电模块(3)之间设有冷却水通道(4)；
所述变截面废气通道作为半导体热电模块(3)的高温热源，所述冷却水通道(4)中的冷却水作为半导体热电模块(3)的低温冷源，所述半导体热电模块(3)两端分别串联和/或并联连接至所述蓄电池两端；
在每一级废气温差发电器单元中，第一废气通道(2)和第二废气通道(2’)之间的两组半导体热电模块(3)互相平行，且与竖直的保温壁(1)呈角度倾斜放置；
相邻两级废气温差发电器单元之间的两组半导体热电模块(3)互相平行，且与竖直的保温壁平行放置。
2.根据权利要求1所述的基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器，其特征在于：
在每一级废气温差发电器单元中，半导体热电模块(3)分别紧贴着第一废气通道(2)和第二废气通道(2’)的对应侧壁，冷却水通道(4)对应侧壁紧贴着其两侧相邻的半导体热电模块(3)。
3.根据权利要求1或2所述的基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器，其特征在于：
高温废气通过第一级废气温差发电器单元的第一废气通道(2)入口处进入，由第一废气通道(2)出口处流出并进入第二废气通道(2’)入口处，之后从第二废气通道(2’)出口处流出并进入下一级废气温差发电器单元的第一废气通道(2)，最终从温差发电器最后一级废气温差发电单元的第二废气通道(2’)出口处流出。
4.根据权利要求1所述的基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器，其特征在于：
所述非均匀流速复合温差发电器包括两级废气温差发电器单元。
5.根据权利要求1所述的基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器，其特征在于：
在每一级废气温差发电器单元中，第一废气通道(2)和第二废气通道(2’)之间的两组半导体热电模块(3)与竖直的保温壁(1)所构成的角度为30°至60°。
6.根据权利要求1所述的基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器，其特征在于：
相邻两级废气温差发电器单元之间的两组半导体热电模块(3)与非均匀流速复合温差发电器的底部成90°垂直放置。
7.根据权利要求1所述的基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器，其特征在于：
所述的半导体热电模块(3)由P型热电材料和N型热电材料相互交替串联而成。
8.根据权利要求1所述的基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器，其特征在于：
所述半导体热电模块(3)热电材料在优值系数ZT值的正常工作温度域工作，其中ZT＝S2σT/K，ZT是半导体热电模块(3)热电材料的热电优值，S为半导体热电模块(3)热电材料塞贝克系数，σ为半导体热电模块(3)热电材料电导率，K为半导体热电模块(3)热电材料热导率，T为半导体热电模块(3)热电材料温度。
9.根据权利要求1所述的基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器，其特征在于：
废气温差发电装置运用复合式变截面废气通道中高温热源和冷却水通道(4)中低温冷源的温差发电，利用半导体塞贝克效应将热能转化为电能。
10.根据权利要求1所述的基于热电材料温度依存性的非均匀流速复合温差发电器，其特征在于：
所述废气温差发电器单元的级数根据废气的流量、半导体热电模块(3)的热物性具体设定。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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