一种具有翅片的温差发电器及其优化方法

技术领域

本发明涉及一种温差发电器及其优化方法，特别提供了一种具有翅片的温差发电器及其优化方法，属于温差发电器技术领域。

背景技术

随着人们生活水平的提高，我国汽车的保有量逐年递增，但燃油车的燃油利用率却很低，其中相当一部分的能量从尾气以热量的形式排出，造成了巨大的能源浪费，因此需要一种能源转换技术来改善目前能源浪费的情况。

热电转换技术是基于塞贝克效应发展起来的一种新型的能源转换技术，具有清洁、无污染、无复杂的运动部件、无维修费用等众多优点。但由于当前的温差发电技术转化效率较低，进而限制其商业化进程的推进。

在集热器结构上可以通过应用热电转换技术从而在一定程度上提高换热效果和热电转换效率。但是现有的集热器结构大多受换热面积的限制，无法达到理想的能量回收效果，换热效果和热电转换效率较差。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种具有翅片的温差发电器及其优化方法，本发明通过对翅片的设计，增大换热面积，提高换热效果和热电转换效率，同时通过优化翅片的尺寸，使得该温差发电器能够输出最大功率。

技术方案：一种具有翅片的温差发电器，包括热端集热器，所述热端集热器的两端分别设有带有通气管的端盖，所述热端集热器外安装有温差发电模块，其特征在于：所述热端集热器安装有至少两组左右对称分布的内圈翅片组件和外圈翅片，所述内圈翅片组件位于外圈翅片内圈，所述内圈翅片组件与外圈翅片以及内圈翅片组件之间向内等间距设置，相邻的内圈翅片组件横截面形状相似并且由外向内逐渐缩小；

所述内圈翅片组件包括上下对称的内圈翅片单体，所述内圈翅片单体横截面为凹字形结构；

所述外圈翅片包括对称部和连接部，所述对称部的横截面为上下对称设置的凹字形结构，所述连接部与对称部凹字形结构的底部连接形成整体式结构，所述连接部与对称部凹字形底部围成封闭的气道。

本发明通过内圈翅片组件和外圈翅片的组合使用，增大了换热的面积，尾气通过在由内圈翅片组件和外圈翅片共同构成的高温通道内流动，使内圈翅片组件和外圈翅片吸收热量，从而传递至热端集热器，由于内圈翅片组件和外圈翅片与热端集热器接触的换热面积增大，从而提高了换热效果和热电转换效率。

优选项，为了进行温差发电，所述温差发电模块包括温差发电装置、冷端散热器，所述温差发电装置的热端与热端集热器紧密接触，所述温差发电装置的冷端与冷端散热器紧密接触。

优选项，为了使温差发电装置热端受热均匀，所述温差发电装置与热端集热器之间设有均热板。

优选项，为了达到电绝缘效果的同时具有较高热导率，并且可以降低热损失，所述均热板为陶瓷板。

优选项，为了进行温差发电并增大散热面积，所述冷端散热器包括冷端散热器本体和贯穿冷端散热器本体的带有双通水口的冷却水管道。

一种具有翅片的温差发电器的优化方法，包括以下步骤：

步骤一、确定温差发电器尺寸、热端集热器入口处的尾气温度和尾气流量、冷端散热器中冷却水的温度和冷却水的流量、尾气和冷却水的物性参数、温差发电模块尺寸及其物性参数，进入步骤二；

步骤二、根据步骤一中的参数确定温差发电器的输出功率P

步骤三、根据步骤一和步骤二中的参数确定翅片造成的泵气损失P

步骤四、根据步骤二和步骤三得出的输出功率P

步骤五、计算出每种不同厚度δ的翅片所对应的温差发电器的净输出功率P，作出温差发电器的净输出功率P与翅片厚度δ变化关系的曲线图，结束。

本发明通过设计出一种对温差发电器中翅片的优化方法，使温差发电器输出的功率随着翅片厚度变化而变化，从而在温差发电器输出最大功率时，得到最优翅片厚度，增大了换热效果和热电转换效率。

优选项，所述步骤二具体步骤如下：

计算尾气对热端集热器表面的对流换热系数h

式中，λ为热导率，N

努塞尔系数N

f＝(1.821lgR

式中，R

流体雷诺数R

式中，ρ为流体密度，v为流体的平均流速，D为水力直径，μ为流体粘度；

水力直径D表示为：

式中，A为过流断面面积，L为湿周；

流体的普朗特数P

式中，μ为流体粘度，c为流体比热容，λ为热导率；

流体的平均流速v表示为：

式中，

空气的过流断面面积A

A

式中，k为翅片间隙的横向宽度，b为翅片间隙的纵向宽度，δ为翅片的厚度；

热端集热器的湿周L

L

式中，k为翅片间隙的横向宽度，b为翅片间隙的纵向宽度，δ为翅片的厚度；

冷却水过流断面面积A

A

式中，n为冷却管道的长度，q为冷却管道的高度；

冷端散热器的湿周L

L

式中，n为冷却管道的长度，q为冷却管道的高度；

计算热端集热器集热板材料、冷端散热器底板材料、陶瓷板材料的热阻R

式中，R

根据温差发电器中热端能量守恒可知：

式中，Q

同理，根据温差发电器的冷端能量守恒方程可知：

式中，Q

尾气与热端集热器的有效对流换热面积A

A

式中，w为集热器的宽度，l为集热器的长度；

冷却水与冷端散热器的有效对流换热面积A

A

式中，n为冷却管道的长度，q为冷却管道的高度，y为冷端散热器的长度；

温差发电模块产生的电流I表示为：

式中，α为温差发电模块的塞贝克系数，T

输出功率P

式中：I为塞贝克效应下产生的电流，R

优选项，所述步骤三具体步骤如下：

泵气压力损失P

式中，

优选项，所述步骤五具体步骤如下：

温差发电器的净输出功率P随翅片厚度δ变化而变化，将翅片厚度δ由小增大，逐个计算出每种不同厚度δ的翅片所对应的温差发电器的净输出功率P，将增大前的翅片厚度δ

有益效果：本发明通过内圈翅片组件和外圈翅片的组合使用，增大了换热的面积，尾气通过在由内圈翅片组件和外圈翅片共同构成的高温通道内流动，使内圈翅片组件和外圈翅片吸收热量，从而传递至热端集热器，由于内圈翅片组件和外圈翅片与热端集热器接触的换热面积增大，从而提高了换热效果和热电转换效率，并以该温差发电器为基础，设计出一种针对温差发电器中翅片的优化方法，使温差发电器输出的功率随着翅片厚度变化而变化，从而在温差发电器输出最大功率时，得到最优翅片厚度，增大了换热效果和热电转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为温差发电器整体结构图；

图2为温差发电器内部剖视图；

图3为温差发电器内部剖视图；

图4为内圈翅片组件和外圈翅片结构图；

图5为冷端散热器结构图；

图6为内圈翅片组件和外圈翅片尺寸参数图；

图7为温差发电器内阻示意图；

图8为温差发电装置示意图；

图9为温差发电器优化流程图；

图10为温差发电器的净输出功率P与翅片厚度δ变化关系的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-图4所示，一种具有翅片的温差发电器，包括热端集热器1，所述热端集热器1的两端分别设有带有通气管的端盖2，所述热端集热器1外安装有温差发电模块3，其特征在于：所述热端集热器1安装有至少两组左右对称分布的内圈翅片组件4和外圈翅片5，所述内圈翅片组件4位于外圈翅片5内圈，所述内圈翅片组件4与外圈翅片5以及内圈翅片组件4之间向内等间距设置，相邻的内圈翅片组件4横截面形状相似并且由外向内逐渐缩小；

所述内圈翅片组件4包括上下对称的内圈翅片单体41，所述内圈翅片单体41横截面为凹字形结构；

所述外圈翅片5包括对称部51和连接部52，所述对称部51的横截面为上下对称设置的凹字形结构，所述连接部52与对称部51凹字形结构的底部连接形成整体式结构，所述连接部52与对称部51凹字形底部围成封闭的气道53。

通过内圈翅片组件和外圈翅片的组合使用，增大了换热的面积，尾气通过在由内圈翅片组件和外圈翅片共同构成的高温通道内流动，使内圈翅片组件和外圈翅片吸收热量，从而传递至热端集热器，由于内圈翅片组件和外圈翅片与热端集热器接触的换热面积增大，从而提高了换热效果和热电转换效率。

如图1-图2所示，为了进行温差发电，所述温差发电模块3包括温差发电装置31、冷端散热器32，所述温差发电装置31的热端与热端集热器1紧密接触，所述温差发电装置31的冷端与冷端散热器32紧密接触。

为了使温差发电装置热端受热均匀，所述温差发电装置31与热端集热器1之间设有均热板6。

为了达到电绝缘效果的同时具有较高热导率，并且可以降低热损失，所述均热板6为陶瓷板。

如图5所示，为了进行温差发电并增大散热面积，所述冷端散热器32包括冷端散热器本体321和贯穿冷端散热器本体321的带有双通水口322的冷却水管道323。冷端散热器32内部设有形状可以是长方形的冷却水管道323，冷却水管道323共分为两路，每路冷却水管道323分别有两个入口和两个出口，有利于增加散热面积，冷却水管道分别与水泵相连接，形成冷却水流回路。

如图9所示，一种具有翅片的温差发电器的优化方法，包括以下步骤：

步骤一、确定温差发电器尺寸、热端集热器入口处的尾气温度和尾气流量、冷端散热器中冷却水的温度和冷却水的流量、尾气和冷却水的物性参数、温差发电模块尺寸及其物性参数，进入步骤二；

步骤二、根据步骤一中的参数确定温差发电器的输出功率P

步骤三、根据步骤一和步骤二中的参数确定翅片造成的泵气损失P

步骤四、根据步骤二和步骤三得出的输出功率P

步骤五、计算出每种不同厚度δ的翅片所对应的温差发电器的净输出功率P，作出温差发电器的净输出功率P与翅片厚度δ变化关系的曲线图。

通过设计出一种对温差发电器中翅片的优化方法，即通过温差发电器的输出功率P

如图6-图7所示，在本实施例中，步骤一的具体参数选择如下：

为了方便计算，定义初始翅片厚度为δ＝0，将热端集热器截面设计为正方形，热端集热器长度方向翅片间距k与热端集热器宽度方向翅片间距b相等；温差发电器尺寸如表1所示：

表1温差发电器尺寸

确定热端集热器入口处的温度T

确定冷端散热器中冷却水的温度T

确定尾气和冷却水的物性参数如表2所示：

表2尾气和冷却水的物性参数

如图8所示，本实施例中，温差发电装置由陶瓷板、铜导电片和PN结所构成，两块陶瓷板之间设有若干串联的PN结，相邻的P型半导体和N型半导体焊接有铜导片连接，

确定温差发电装置的尺寸及其物性参数如表3所示：

表3温差发电装置尺寸和物性参数

在本实施例中，步骤二具体步骤如下：

计算尾气对热端集热器1表面的对流换热系数h

式中，λ为热导率，N

努塞尔系数N

f＝(1.821lgR

式中，R

流体雷诺数R

式中，ρ为流体密度，v为流体的平均流速，D为水力直径，μ为流体粘度；

水力直径D表示为：

式中，A为过流断面面积，L为湿周；

流体的普朗特数P

式中，μ为流体粘度，c为流体比热容，λ为热导率；

流体的平均流速v表示为：

式中，

空气的过流断面面积A

/>

式中，k为翅片间隙的横向宽度，b为翅片间隙的纵向宽度，δ为翅片的厚度；热端集热器1的湿周L

式中，k为翅片间隙的横向宽度，b为翅片间隙的纵向宽度，δ为翅片的厚度；本实施例中，冷却管道截面尺寸为18mm×5.5mm，冷却水过流断面面积A

A

即，A

式中，n为冷却管道的长度，q为冷却管道的高度；

冷端散热器32的湿周L

L

即，L

式中，n为冷却管道的长度，q为冷却管道的高度；

计算热端集热器1集热板材料、冷端散热器32底板材料、陶瓷板材料的热阻R

式中，R

根据温差发电器中热端能量守恒可知：

式中，Q

同理，根据温差发电器的冷端能量守恒方程可知：

式中，Q

尾气与热端集热器1的有效对流换热面积A

A

即，A

式中，w为集热器的宽度，l为集热器的长度；

冷却水与冷端散热器32的有效对流换热面积A

A

即，A

式中，n为冷却管道的长度，q为冷却管道的高度，y为冷端散热器32的长度；

温差发电模块3产生的电流I表示为：

式中，α为温差发电模块3的塞贝克系数，T

输出功率P

式中：I为塞贝克效应下产生的电流，R

在本实施例中，所述步骤三具体步骤如下：

泵气压力损失P

式中，

在本实施例中，所述步骤四具体步骤如下：

温差发电器的净输出功率P为：

P＝P

式中，P为温差发电器的净输出功率，P

所述步骤五具体步骤如下：

如图10所示，温差发电器的净输出功率P随翅片厚度δ变化而变化，定义初始翅片厚度为δ＝0，将翅片厚度δ由小增大，逐个计算出每种不同厚度δ的翅片所对应的温差发电器的净输出功率P，将增大前的翅片厚度δ

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。