摘 要

目前，随着汽车保有量的增加，带来的环境问题与能源危机引起了社会广泛的关注，温差发电作为回收汽车废气能量的一种有效方式得到了各大科研单位及企业的关注。

本文对温差发电的基本原理进行了学习，也对目前温差发电的研究现状作了了解。在这一基础上，设计了一款尾气温差发电装置。在研究过程中，利用CATIA建立了不同的集热器模型，而后又利用FLUENT软件对不同的集热器进行比较分析，获得其温度、压力等仿真结果。经比较，翅片长为120mm，间距为30mm的挡板式集热器的综合性能较好，选择其作为温差发电系统的组成部分。

温差发电片采用串并联结合的连接方式。经计算，当冷热端温差为100℃时，温差发电系统的最大输出功率为112W。

关键词：温差发电；集热器；废热回收

Abstract

At present, with the increase of car ownership, the environmental problems and energy crisis have aroused widespread concern in the society. Thermoelectric power generation has been paid attention to by the scientific research units and enterprises as an effective way to recover the energy of automobile exhaust gas.

In this paper, after understanding the basic principles of thermoelectric power generation and the current research situation, I designed a thermoelectric power generation system. In the course of the study, I used CATIA to establish the different heat collector models, and then used the FLUENT software to analyze the different collectors, and the temperature and pressure were obtained. By comparison, the fin length is 120mm, the spacing of 30mm baffle collector comprehensive performance is best, select it as a thermoelectric power generation system components.

The thermoelectric module is connected in series and parallel. It is calculated that when the temperature difference between hot and cold side is 100℃, the maximum output power of thermoelectric power generation system is 112W.

Key Words：Thermoelectric generating system; Heat collector; Waste heat recovery

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容及预期目标 2

第2章 温差发电基本理论 3

2.1 温差发电基本热电效应 3

2.1.1 塞贝克效应 3

2.1.2 帕尔贴效应 4

2.1.3 汤姆逊效应 4

2.2 热电材料的优值系数 5

2.3 常用的热电材料及其性能 6

第3章 集热器仿真分析 7

3.1 集热器三维模型的建立 7

3.1.1 平板式（无翅片） 7

3.1.2 平板式（直翅片） 8

3.1.3 挡板式 8

3.2 计算结果及分析 9

3.2.1 模型假设 9

3.2.2 边界条件及求解器参数的确定 10

3.3 集热器的性能比较及选择 11

第4章 温差发电系统设计 19

4.1 柴油机工况分析 19

4.2 温差发电模块布置位置 19

4.3 温差发电片的选择及布置 20

4.4 冷却系统的设计 21

4.5 温差发电系统的建立 22

4.6 温差发电系统输出特性 23

第5章 结论 26

参考文献 27

致谢 29

绪论

研究背景和意义

公安部交管局的数据显示，截止2016年底，我国机动车的保有量已经达到2.9亿辆，其中汽车占1.94亿辆。机动车保有量的增加已经对我国产生了不小的影响，这些年的雾霾问题已经对民众的日常生活带来了不良影响，而且机动车数量的增加也使得我国的能源问题日益凸显，我国每年都需要进口大量石油，而且进口石油的数量还在不断增加。机动车每年消耗的石油量占总的石油消耗量的30%，如果能够对机动车的能量利用率作出改进，这将会对缓解能源问题带来积极的影响。作为机动车“心脏”的内燃机已经有100年的发展历史，伴随着各种新技术的采用，发动机热效率相比以前已经有了明显的提高。但受当前一些技术的限制，燃油中仍有60%左右的能量没有得到有效的利用，其中大部分以废热的形式排放到大气中^[1]。可见，尾气中含有的能量还是很多的，如何合理地回收利用这部分能量值得广大科研人员探索。

温差发电技术作为回收汽车尾气能量的有效方式之一正得到广大科研单位和企业的关注，具有广阔的发展前景。温差发电技术利用了热电材料的塞贝克效应（Seebeck effect），可以直接将热能转化为电能。它具有体积小、寿命长、无噪音、无污染、无转动部件等优点^[2]。这些优点也表明温差发电系统比较适合在车辆上使用。开发合理高效的温差发电系统对于提高车辆的效率是非常有帮助的。

国内外研究现状

（1）国内现状

武汉理工大学的李浩、邓亚东、汪怡平对采用温差发电装置的混合动力汽车的经济性作了分析。研究表明在一定范围内，采用温差发电装置可以降低整车油耗，但如果热电模块数量过多，整车油耗将会上升。因为随着热电模块数量的增加，用于固定的支架，冷却水箱等的质量会增加，这些附件质量的增加便会抵消油耗的降低，若超过一定范围，油耗将不降反升^[3]。

华南理工大学广州学院的戴海燕、李淼林设计了一款平板式温差发电装置，并对其相关性能进行了模拟分析。结果表明，所设计的温差发电系统的节油量为0.03，需花费四年时间才能收回成本^[4]。