摘要
汽车市场的快速发展加重了日益凸显的能源危机问题，而燃油发动机的热效率始终偏低，大量能量被尾气带走而浪费。热电发电技术可以有效回收发动机尾气中的热量，提高燃油效率，从而减少化石能源消耗。然而，目前热电发电器件的输出功率较低且成本较高，难以大规模商用。为提高热电系统发电性能，本文研制了一套高可靠性、高集成度的发动机尾气余热热电回收系统，并对其性能及应用开展了一系列实验研究。主要研究内容和结论如下: 1)基于热电效应理论知识，建立了三维热电系统仿真模型。对外接负载、热电粒子高度、热电粒子横截面积、温差以及外部热阻等影响热电系统性能的因素进行了参数化研究;在150℃温差条件下，含180对热电粒子的热电系统输出功率为2.72 W,功率密度为1431.58 W/m2。 2)提出并优化了一套柔性热电器件(TEG)的制备方法，通过该方法制备的柔性TEG具有良好的弯曲性能和稳定性。搭建了测试平台以探究影响TEG发电性能的因素，确定了 TEG的最佳参数;在3 mm热电粒子高度与150℃温差条件下，TEG的功率密度为1310.53 W/m2,与仿真结果基本吻合。 3)设计研制了高集成度的发动机尾气余热热电回收系统。设计了柔性散热水套用于柔性热电系统冷端的散热，并通过掺杂液态金属的方法使其导热性能显著提高;建立了散热水套仿真模型对其拉伸和散热性能进行仿真分析。热电回收系统的性能测试表明，在热端温度为200℃时，系统输出功率可达7.78 W,功率密度为665.43 W/m2。 4)将发动机尾气余热热电回收系统应用在拖拉机上进行了实车试验。在拖拉机无负载条件下对匀速工况、加减速工况以及爬坡工况时的热电系统发电性能进行了测试，在15 km/h的匀速工况下热电系统平均输出功率可达6.01 W。此外，拖拉机果园耕地作业的试验结果表明，在耕地速度为4km/h、耕地深度为16cm时热电系统的平均输出功率最大，达到10.13W。实车试验过程中热电系统可以为电子设备(行车记录仪、GPS传感器、移动电源等)稳定供电。
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