CN107201935A - 一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置及其分流控制方法 - Google Patents
一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置及其分流控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置及其分流控制方法，温差发电装置主要包括集热箱体、热电模块组、散热翅片、分流栅片和蓄电模块，热电模块组安装在集热箱体提供的热源和散热翅片提供的冷源中间，在温差作用下产生电能，并将电能存储于蓄电模块；分流栅片控制尾气，使尾气热量以不同比例流向不同部分的热电模块组，并使得一部分热电模块优先进入高效工作区。本发明基于温度信号、压力信号，通过对尾气分流调控，不仅可以防止热电模块过热损坏，而且可以依据尾气温度的不同，将尾气以不同的比例导向集热箱体的两侧，从而使一部分热电模块高效工作，充分发挥热电模块特性，提高温差发电装置的整体输出性能。
Description
技术领域
本发明属于汽车尾气能量回收利用技术领域，具体涉及一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置及其分流控制方法。
背景技术
目前，大多数内燃机汽车对燃油的利用率仅为40％左右，高达60％的燃油能量无法得到有效的利用，这其中有35％的燃油能量以汽车尾气能量的形式被排放到空气中，不仅造成了大量能源浪费，也对环境造成了严重的污染。汽车尾气中的主要能量形式是热能，近年来，随着温差发电技术的日益进步，温差发电材料的不断革新，温差发电装置的性能不断地在提高，这使得对汽车尾气热能的回收利用成为了可能。
温差发电技术是一种利用热源和冷源间的温差进行发电的新型能源形式。该项技术近年来被应用在利用汽车尾气，进行废热能量回收，通过温差发电将尾气废热转换成电能，这部分电能可以储存于蓄电模块中，应用于车载的用电设备，从而提高汽车的燃油利用率。现有的研究多为对温差发电器集热箱尺寸结构的优化，但这种机械结构的优化对温差发电器发电效能的提升非常有限。因此，结合热电模块本身的特性，转换思路对尾气流进行分流控制对于进一步提高温差发电器发电效能有重要意义。
中国专利(CN201623673U)公开了汽车尾气废热温差发电装置，其设计的温差发电器的集热箱，通过采用“S”型的扰流通道来提高集热箱的集热效果，但由于这种结构的集热箱所带来的排气背压极大，如果将该集热箱安装于汽车排气系统中，将会引起发动机排气背压过大而无法正常工作的情况。
发明内容
本发明提供一种利用汽车尾气进行温差发电的装置及其分流控制方法，该装置具有对汽车尾气分流控制的功能；在对发动机排气背压影响较小的情况下，该装置可以最大程度地发挥热电模块的性能，同时也对热电模块具有一定的保护作用。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置，包括集热箱体、进气管道和排气管道，所述集热箱体为中空、两端开口的箱体，其形状为一个长方体和两个棱台拼接而成的多面体状，所述进气管道、排气管道分别通过盖板与集热箱体两开口端相焊接；所述集热箱体前后两个表面为集热翅片的平整面，且集热翅片的翅片朝向箱体内部，所述翅片的长度在集热翅片中间位置处最短，依次对称增长，在贴近箱体上下表面处最长，所述集热翅片的平整面通过螺栓连接有散热翅片的平整面并预紧，且两平整面之间有一定的间距，用于放置热电模块组，所述热电模块组与蓄电模块相连，所述集热翅片的平整面还连接温度传感器，所述温度传感器连接电控模块，所述电控模块还连接有压力传感器、步进电机，所述步进电机通过联轴器与连接圆杆上端相连接，所述连接圆杆下端伸入集热箱体内部，且连接圆杆底端连接有分流栅片。
上述方案中，集热翅片的翅片连续平直，所述散热翅片的翅片长度一致，且连续平直。
上述方案中，所述分流栅片为圆饼状，分流栅片的圆形表面直径与进气管道的内径相同。
上述方案中，在温差发电装置不工作时，分流栅片的圆形表面与尾气流经方向一致；在温差发电装置工作时，分流栅片由步进电机控制旋转一定角度。
上述方案中，所述热电模块组至少为一个，且每个热电模块组内的热电模块串联，每两个热电模块组并联。
上述方案中，所述蓄电模块可以采用蓄电池或超级电容器。
一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置的分流控制方法，当温差发电装置刚开始工作时，步进电机控制分流栅片旋转一定角度，将大部分尾气流导向主集热面集热翅片，保证主集热面集热翅片的温度优先达到热电模块的高功率工作温度Tp；当温度传感器检测到主集热面集热翅片一侧的温度达到Tp后，分流栅片保持开度不变，若一侧温度即将超过热电模块的温度耐受极限Ts，通过步进电机调整分流栅片开度，减少流向该侧的尾气流量；当压力传感器检测到温差发电装置的排气背压超过发动机所能承受的背压极限时，步进电机将分流栅片开度调节至0°，待背压减小后再次进行分流控制。
进一步，分流栅片的开度定义为：分流栅片的圆形表面与进气管道、排气管道的轴线的顺时针旋转夹角，开度范围为-90°～90°；初始安装时，分流栅片开度为0°。
本发明具有以下优点：
1.分流栅片的控制不仅可以对热电模块起到防过热的保护作用，而且可以依据尾气温度的不同，将尾气流以不同的比例导向集热箱体的两侧，从而使得一部分热电发电模块优先进入高效工作，进而提高温差发电装置的整体输出性能。
2.本发明将集热翅片的翅片设计为连续平直的长条，且翅片长度中间短，上下侧长；该结构可以有效降低发动机的排气背压，从而提高装置的实用性。
附图说明
图1为温差发电装置结构俯视图；
图2为集热箱内部结构图；
图3为分流栅片控制流程图；
图4为热电模块连接电路图。
图中：1-进气管道，2-压力传感器，2-1-进气压力传感器，2-2-排气压力传感器，3-电控模块，4-热电模块组，4-1-主集热面热电模块组，4-1-辅助集热面热电模块组，5-散热翅片，5-1-主集热面散热翅片，5-1-辅助集热面散热翅片，6-温度传感器，6-1-主集热面温度传感器，6-2-辅助集热面温度传感器，7-集热面，7-1-主集热面，7-2-辅助集热面，8-蓄电模块，9-排气管道，10-集热箱体，11-分流栅片，12-集热翅片，12-1-主集热面集热翅片，12-2-辅助集热面集热翅片，13-连接圆杆，14-联轴器，15-步进电机。
具体实施方式
下面将结合附图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、2所示，一种具有尾气分流控制功能的温差发电装置，包括集热箱体10、进气管道1和排气管道9，集热箱体10为中空、两端开口的箱体，其形状为一个长方体和两个棱台拼接而成的多面体状，进气管道1、排气管道9分别通过盖板与集热箱体10两开口端相焊接，进气管道1与发动机排气管相连通，排气管道9与汽车尾气催化净化装置相连通；本实施例中进气管道1、排气管道9的材料为白钢，长方体四个表面的材料为铝合金，棱台表面及盖板的材料为不锈钢。
集热箱体10前后两个表面为集热翅片12的平整面，且集热翅片12的翅片朝向箱体内部，为了降低集热箱体10中的气阻，翅片的长度在集热翅片12中间位置处最短，向集热箱体10上下表面方向依次对称增长，在贴近箱体上下表面处最长，翅片连续平直；集热翅片12的平整面通过螺栓连接有散热翅片5(散热翅片5的翅片长度一致，且连续平直)的平整面并预紧，且两平整面之间有一定的间距，用于放置热电模块组4，热电模块组4为两个，且每个热电模块组4内的十二个热电模块串联，每两个热电模块组4并联，如图4所示；热电模块组4的一端贴合于集热翅片12的平整面7，热电模块组4的另一端贴合于散热翅片5的平整面，热电模块组4分别与集热翅片12的平整面、散热翅片5的平整面相贴合，且贴合界面上均涂抹导热硅胶，以提高界面的导热性能和贴合平整度；热电模块组4通过导线与蓄电模块8相连，蓄电模块8为蓄电池；集热翅片12的平整面还连接温度传感器6，温度传感器6通过导线连接电控模块3，温度信号传输至电控模块3，电控模块3通过温度信号判断分流栅片11的转角；电控模块3还通过导线连接有压力传感器2、步进电机15，进气管道1和排气管道9管壁处分别安装有进气压力传感器2-1和排气压力传感器2-2，压力信号传输至电控模块3，用于计算温差发电装置的排气背压，进而限制分流栅片11的最大开度；步进电机15通过联轴器14与连接圆杆13上端相连接，连接圆杆13下端伸入集热箱体10内部，且连接圆杆13底端采用螺纹连接有圆饼状的分流栅片11，且分流栅片11可以绕连接圆杆13的轴线旋转，分流栅片11靠近进气管道1端的集热箱10内部，分流栅片11的圆形表面直径与进气管道1的内径相同，装配时，分流栅片11的中心应处于进气管道1的轴线上；在温差发电装置不工作时，分流栅片11的圆形表面与尾气流经方向一致，在温差发电装置工作时，分流栅片11由步进电机15控制旋转一定角度。分流栅片11的圆面与轴线的顺时针旋转夹角定义为栅片开度，开度范围为-90°～90°；初始安装时，分流栅片11开度为0°。考虑到热电模块本身的性能，通过分流栅片11的导流作用，将较多的尾气流导向主集热面7-1，使得该侧的温度优先上升，从而保证主集热面热电模块组4-1处于高效工作状态，这有利于提高温差发电装置的整体发电效能。
一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置的工作过程为：
发动机尾气从进气管道1进入温差发电装置，流经进气压力传感器2-1，尾气进入集热箱体10后，经分流栅片11的导流作用，大部分尾气流向主集热面集热翅片12-1，主集热面集热翅片12-1经加热后将热量传导至主集热面7-1；主集热面7-1作为主集热面热电模块组4-1的热源，主集热面散热翅片5-1作为冷源，在主集热面热电模块组4-1的两侧形成温差并产生温差电；剩下部分的尾气流向辅助集热面7-2，加热辅助集热面集热翅片12-2，辅助集热面集热翅片12-2经加热后将热量传导至辅助集热面7-2；辅助集热面7-2作为辅助集热面热电模块组4-2的热源，辅助集热面散热翅片5-2作为冷源，在辅助集热面热电模块组4-2的两侧形成温差并产生温差电；尾气从尾气排气管道9流出，流经排气压力传感器2-2；进气压力传感器2-1和排气压力传感器2-2分别测得进出口压力，并将压力信号输送至电控模块3；主集热面温度传感器6-1和辅助集热面温度传感器6-2分别测得集热箱体10两侧集热壁面的温度，并将温度信号传输至电控模块3；电控模块3接受到压力和温度信号后，经由如附图3所示的控制流程，控制分流栅片11进行旋转动作；热电模块组4在温差作用下产生电能，再利用回路中的蓄电模块8将这部分电能收集并储存。
如图3所示，温差发电装置的分流控制方法为：
步骤1：通过温度传感器6分别获得主集热面7-1和辅助集热面7-2的温度T1和T2，通过压力传感器2分别获得进气管道1和排气管道9的气流压力p1和p2，计算得到温差发电装置的排气压差Δp＝P1-P2；
步骤2：判断主集热面7-1的温度T1是否达到热电模块高功率工作温度Tp，若未达到，则判断此时的装置压差Δp是否达到发动机所能承受的安全压差ps，若未到达，则提高分流栅片11的开度，加强对主集热面7-1的加热，若已经达到安全压差，则保持分流栅片11的开度不变；
步骤3：若主集热面7-1的温度T1已经达到热电模块高功率工作温度Tp，则继续判断主集热面7-1的温度是否达到热电模块耐温极限Ts，若未达到，则保持分流栅片11的开度不变，若已经达到耐温极限，则需减小分流栅片11的开度，防止主集热面热电模块组4-1过热损坏；
步骤4：若某一时刻装置压差达到了极限压差plim，则立即将分流栅片11开度调整至0°，防止发动机出现非正常工作状态，待压差减小后，再次开始分流控制；
步骤5：判断辅助集热面7-2的壁面温度是否大于热电模块耐温极限Ts，特殊工况下，当辅助集热面7-1的温度是否达到热电模块耐温极限Ts，则立即将分流栅片11开度调整至0°。
以上所述对本发明进行了简单说明，并不受上述工作范围限值，只要采取本发明思路和工作方法进行简单修改运用到其他设备，或在不改变本发明主要构思原理下做出改进和润饰的等行为，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置，其特征在于，包括集热箱体(10)，所述集热箱体(10)为中空、两端开口的箱体，其形状为一个长方体和两个棱台拼接而成的多面体状；所述集热箱体(10)前后两个表面为集热翅片(12)的平整面，且集热翅片(12)的翅片朝向箱体内部，所述翅片的长度在集热翅片(12)中间位置处最短，依次对称增长，在贴近箱体上下表面处最长，所述集热翅片(12)的平整面通过螺栓连接有散热翅片(5)的平整面并预紧，且两平整面之间有一定的间距，用于放置热电模块组(4)，所述热电模块组(4)与蓄电模块(8)相连，所述集热翅片(12)的平整面还连接温度传感器(6)，所述温度传感器(6)连接电控模块(3)，所述电控模块(3)还连接有压力传感器(2)、步进电机(15)，所述步进电机(15)通过联轴器(14)与连接圆杆(13)上端相连接，所述连接圆杆(13)下端伸入集热箱体(10)内部，且连接圆杆(13)底端连接有分流栅片(11)。
2.如权利要求1所述的一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置，其特征在于，还包括进气管道(1)和排气管道(9)，所述进气管道(1)、排气管道(9)分别通过盖板与集热箱体(10)两开口端相焊接。
3.如权利要求1所述的一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置，其特征在于，所述集热翅片(12)的翅片连续平直，所述散热翅片(5)的翅片长度一致，且连续平直。
4.如权利要求1所述的一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置，其特征在于，所述分流栅片(11)为圆饼状。
5.如权利要求4所述的一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置，其特征在于，在温差发电装置不工作时，分流栅片(11)的圆形表面与尾气流经方向一致；在温差发电装置工作时，分流栅片(11)由步进电机(15)控制旋转一定角度。
6.如权利要求4所述的一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置，其特征在于，所述分流栅片(11)的圆形表面直径与进气管道(1)的内径相同。
7.如权利要求1所述的一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置，其特征在于，所述热电模块组(4)至少为一个，且每个热电模块组(4)内的热电模块串联，每两个热电模块组(4)并联。
8.如权利要求1所述的一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置，其特征在于，所述蓄电模块(8)可以采用蓄电池或超级电容器。
9.一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置的分流控制方法，其特征在于，当温差发电装置刚开始工作时，步进电机(15)控制分流栅片(11)旋转一定角度，将大部分尾气流导向主集热面集热翅片(12-1)，保证主集热面集热翅片(12-1)的温度优先达到热电模块的高功率工作温度Tp；当温度传感器(6)检测到主集热面集热翅片(12-1)一侧的温度达到Tp后，分流栅片(11)保持开度不变，若一侧温度即将超过热电模块的温度耐受极限Ts，通过步进电机(15)调整分流栅片(11)开度，减少流向该侧的尾气流量；当压力传感器(2)检测到温差发电装置的排气背压超过发动机所能承受的背压极限时，步进电机(15)将分流栅片(11)开度调节至0°，待背压减小后再次进行分流控制。
10.如权利要求9所述的一种具有汽车尾气分流控制功能的温差发电装置的分流控制方法，其特征在于，分流栅片(11)的开度定义为：分流栅片(11)的圆形表面与进气管道(1)、排气管道(9)的轴线的顺时针旋转夹角，开度范围为-90°～90°；初始安装时，分流栅片(11)开度为0°。
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