（车辆工程专业论文）基于汽车尾气温差发电和太阳能发电的新型车载电源系统.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着经济的发展、社会的进步，人类对能源的需求越来越大，由能源产生 的矛盾越来越突出，节能减排、加大新能源的开发利用已成为社会的强烈要求。 汽车消耗大量的能源，同时也是大气污染排放物的主要来源，目前，汽车的能 源消耗占到了世界石油销量的一半以上。因此，设计能耗小、排放低的传统汽 车及新能源汽车是目前汽车研发的主要方向。 汽车尾气废热温差发电技术的研发在国内还处于初级阶段，太阳能发电技 术虽然相对比较成熟，但在汽车上的应用也很少。为了降低传统汽车的油耗， 本文提出将温差发电和太阳能发电应用于传统汽车的创新理念，开创性地建立 了温差发电机的系统模型，将温差发电机、太阳能发电机以及交流发电机合成， 构建新型的车载电源系统，通过电池管理系统对蓄电池s o c 状态的监测，控制 交流发电机的工作状态，最终实现节能的目的。 本文在详细研究半导体热电模块的特性及光伏电池的伏安特性之后，基于 温差发电和太阳能发电的基本原理，分析温差发电系统、太阳能发电系统及交 流发电机系统的输出特性，构建新型车载电源系统并提出其性能要求。然后， 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立各子系统的仿真模型的基础上，对a d v i s o r 2 0 0 2 进行简单的二次开发，将新型车载电源系统模型嵌入a d v i s o r 2 0 0 2 中传统汽车模 块，建立基于整车的新型电源仿真模型。通过在不同电气负载及行驶工况下的 整车仿真，考察新型车载电源系统的各部分工作状态，分析系统的能量流以及 相对于传统汽车的油耗情况。 行文中的难点也是重点是：基于f l u e n t 软件采取流固耦合的仿真方法，对 废气通道箱体表面进行热力学分析，推导出半导体热电模块的热端温度。在此 基础上，建立了汽车尾气温差发电的系统及仿真模型，研究其输出特性及效率， 填补了国内在此方面研究的空白。此外，利用对a d v i s o r 2 0 0 2 软件的二次开发， 建立基于整车的新型车载电源系统模型，对车载新型电源系统性能及效率的分 析研究意义重大，并且为今后更深入地研究温差发电和太阳能发电对整车性能 的影响具有一定的指导作用。 关键词：温差发电，热电模块，太阳能发电，光伏电池，建模与仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n ds o c i a lp r o g r e s s ，h u m a nd e m a n df o re n e r g y i si n c r e a s i n g ，t h ec o n t r a d i c t i o ng e n e r a t e db ye n e r g yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e o b v i o u s s a v i n gs o u r c ea n du t i l i z i n gn e we n e r g yh a v eb e c o m es o c i a lc o m m a n d s v e h i c l e sc o n s u m el a r g ea m o u n t so fe n e r g y , a n di sa l s ot h em a i ns o u r c eo f a t m o s p h e r i cp o l l u t i o ne m i s s i o n a u t oe n e r g yc o n s u m p t i o na c c o u n t e df o rm o r et h a n h a l fo ft h eo i ls a l e s ，t h e r e f o r e ，h o wt od e s i g nt h el o we n e r g yc o n s u m p t i o na n d e m i s s i o n sf o rt h et r a d i t i o n a lv e h i c l e sa n dn e we n e r g yv e h i c l e si st h em a i nd i r e c t i o no f a u t o m o b i l er e s e a r c hc u r r e n t l y t h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ew a s t eh e a tt h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n ( t e g ) t e c h n o l o g yi nc h i n ar e m a i n st h ep r i m a r ys t a g e ，a n dt h e ，a l t h o u g hm o r em a t u r e ，b u ti s a l s ol i t t l e a p p l i e d i no r d e rt or e d u c et h e f u e lc o n s u m p t i o n ，t h i sp a p e rp r o v i d e s i n n o v a t i v ec o n c e p t sa b o u tt h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n ( t e o ) t e c h n o l o g ya n ds o l a r p o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g ya p p l i e do nt r a d i t i o n a la u t o m o b i l e ，a n de s t a b l i s h e s a s y s t e mm o d e lo ft h et h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o r , m a k i n gt h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o r , s o l a r g e n e r a t o ra n da l t e r n a t o rt o g e t h e r t oc o n s t r u c tan e wa u t o m o t i v ep o w e rs y s t e m m o n i t o r i n gs o cs t a t eo ft h eb a t t e r y , b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mc o n t r o l st h es w i t c h s t a t eo fa l t e m a t o r , a n df m a l l ya c h i e v e st h ep u r p o s eo fs a v i n ge n e r g y a f t e rad e t a i l e ds t u d yo ft h ep r o p e r t i e so fs e m i c o n d u c t o rt h e r m o e l e c t r i cm o d u l e a n dt h ev o l t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c so fp h o t o v o l t a i cc e l l s ，a n db a s e do nt h eb a s i c p r i n c i p l e sb e t w e e nt h et w os u b s y s t e m s ，a n a l y z e st h en e wo u t p u tp r o p e r t i e so ft h e t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n ( t e g ) s y s t e m ，s o l a rp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e ma n da l t e r n a t o r s y s t e m ，c o n s t r u c t san e w v e h i c l ep o w e rs y s t e ma n dp u t sf o r w a r dt h er e q u i r e m e n t so f t h ev e h i c l ep e r f o r m a n c e t h e nu n d e rt h ee n v i r o n m e n t o fm a t l a b s i m u l i n k e s t a b l i s h e se a c hs u b s y s t e m ，d os o m es i m p l ed e v e l o p m e n t si na d v i s o r 2 0 0 2 ，a d d sn e w a u t o m o t i v ep o w e rs y s t e mm o d e li n t ot h et r a d i t i o n a lm o d u l ei na d v i s o r 2 0 0 2 ， e s t a b l i s h i n gt h en e wv e h i c l ep o w e rs i m u l a t i o nm o d e l s t h r o u g hs i m u l a t i o n so n d i f f e r e n te l e c t r i cl o a d sa n dd r i v i n gc o n d i t i o n s ，t e s t se a c hs e c t i o n sw o r k i n gs t a t e so f t h en e wv e h i c l ep o w e rs y s t e m ，a n a l y z i n gt h ee n e r g yf l o wa n df u e lc o n s u m p t i o n c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a la u t o m o b i l e i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h ek e yp o i n t ，a l s ot h em o s td i f f i c u l tp o i n to ft h i sp a p e r ：b a s e do nf l u e n t ，u s e t h es i m u l a t i o nm e t h o do ff l u i d - s o l i dc o u p l i n g ，m a k e st h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i so ft h e s u r f a c eo fw a s t eh e a tc h e s t ，a n dd e d u c e st h et e m p e r a t u r eo ft h eh o tp o i n to n s e m i c o n d u c t o rt h e r m o e l e c t r i cm o d u l e a n dt h e ne s t a b l i s h e st h ea u t o m o b i l ew a s t e h e a tt h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o ns y s t e ma n ds i m u l a t i o nm o d e lt o s t u d yt h eo u t p u t p r o p e r t i e sa n de f f i c i e n c y ，f i l l i n gt h ed o m e s t i cb l a n ks t u d y i na d d i t i o n ，t h eu s eo f a d v i s o r 2 0 0 2d e v e l o p i n gn e wv e h i c l ep o w e rs y s t e mm o d e l ，i sv e r ys i g n i f i c a n c ef o r r e s e a r c ho fn e wv e h i c l ep o w e rs y s t e m s p e r f o r m a n c e ，a n di t e x e r t sap r o f o u n d i n f l u e n c eo nt h ef u r t h e ra n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o na n ds o l a r p o w e rg e n e r a t i o n si n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e k e y w o r d s ：t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n ，t h e r m o e l e c t r i cm o d u l e ，s o l a rp o w e r , p h o t o v o l t a i c c e l l s ，m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n l l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：圣圭垒日期：也f ! ：墨羔2 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 觥( ：覆仔聊( 可严晰计一7 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 中国是一个能源消耗大国，能源消耗总量排在世界第二位，但是能源利用 率却很低，目前仅为3 3 。这要比发达国家落后2 0 多年，能耗强度远远高于世 界平均水平，约为美国的3 倍，日本的7 2 倍。 汽车消耗大量的能源，同时也是大气污染排放物的主要来源。预计到2 0 2 0 年汽车用油将会占到全球石油总消耗量的6 2 以上。然而，全球汽车的保有量 仍在逐年增加，将从目前的约8 亿辆增加到2 0 2 0 年的1 2 亿辆，2 l 世纪中叶， 将会达到3 5 亿辆。2 0 0 9 年中国汽车产销量更是达到了1 3 0 0 万辆，汽车保有量 大幅度的增加使中国能源形势更为严峻【l 】o 温差发电是一种合理利用余热、太阳能、地热等低品位能源转换成为电能 的有效方式。2 0 世纪6 0 年代以来，国内外学者提出采用温差发电技术将发动机 排气中的热能转化为电能，以达到节能的目的。目前，很多企业和科研单位都 在从事温差发电器的研究【二5 1 。 伴随着对太阳能的研究，目前太阳能应用于汽车主要有三种途径，第一种 是将太阳能运用在传统汽车上做辅助供电，而不是作为汽车的驱动力；第二种 是利用太阳能电池板把太阳能收集起来给电动汽车充电，驱动电动汽车行驶； 第三种是利用太阳能制氢，首先太阳能发电，电解水把氢气制出后储存，给汽 车里的燃料电池加氢，氢气和氧气发生反应生成水同时释放电能，提供给汽车 使用【6 1 。 1 2 温差发电在汽车上的应用现状 目前，温差发电( t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n ，t e g ) 已经成为人们关注的热 点。自前苏联科学院的i o f f e 院士提出半导体热电理论以来【7 】，美国、日本等发 达国家相继在此技术上取得了一定的进展，国外比较有代表性的公司及研究机 构主要有美国能源部、b s s t 、h i z 、b m w 、g m 、f o r d 、t o y o t a 以及俄亥 俄州州立大学等，国内则以高校为主，包括华南理工大学、同济大学、清华大 学以及武汉理工大学。 2 0 0 4 年，在美国能源部和纽约能源研究发展局指示下，c l a k s o n 大学和d e l p h i 武汉理t 大学碗学位论立 公司共同研制了一套预期发电量为3 0 0 w 的热电转换系统，应用于通用s i e r r a 皮 卡上。为达到功率需求，该系统采用1 6 块h z 一2 0 型热电模块，这些模块平均分 为两组，固定在碳钢制成的废热通道以及铝制水套之间并夹紧。 2 0 0 4 年1 1 月，b s s t 公司与美国能源部f r e e d o m c a r 办公室签订合同，成 为致力于研究和开发适用于乘用车的利用汽车尾气热量来发电的高效热电系统 的4 个成员之，目标是将燃油经济性提高1 0 ，并减少排放。 2 0 0 8 年3 月，美国通用汽车公司联合宝马汽车及其零部件供应商、俄亥俄 州州立大学共同进行温差发电项目的研究。该研究将一种特殊的电镀会属装置 安装在汽车排气管上，利用尾气与空气间温差导致的热电效应形成电流，再通 过电动机驱动汽车。目前这项热电技术设备已经在雪佛兰的s u b u r b a n 车型上进 行5 万公里的实车测试实验，节省燃油约1 0 【8 i 。 图l 一1 温差发电原理示意图 在国内，武汉理工大学目前己措建成基于某型轿车16 l 发动机的温差发电 试验台架，处于实验研究阶段。华南理工大学根据排气管内热流的换热形式和 热电偶回路的基本定律，提出了一种全新的温差发电试验系统结构，采用内置 的轴向网状热电转换模块和多级转换结构，冷源为分离式循环水冷，直接接入 发动机的水冷系统 i 。同济大学的研究中，应用有限时 b j 热力学理论分析了半导 体温差发电器的工作性能，推导了在内外均不可逆情况下发电器的输出功率和 效率的表达式i - o l 。清华大学则根据温差发电器件的原理、结构、特点以及主要 的热电性能参数，搭建了一套能够较为精确测定温差发电器热电性能的测试平 台，并在此基础上进行了一系列的温差发电器的热电性能测试，实验结果证明 该测试平台能够较精确地测定温差发电器的热电性能【”l 。 1 3 太阳能发电在汽车上的应用现状 太阳能汽车的发展历史悠久，早在1 9 7 8 年，世界上第一辆太阳能汽车在英 垒 武汉理工大学硕士学位论文 国研制成功，当时汽车速度可达1 3 k m h 。2 0 0 3 年澳大利亚太阳能汽车比赛上， 荷兰制造的“n u n ai i 太阳能汽车取得冠军，以3 0 小时5 4 分钟的时间跑完了 3 0 1 0 k m 的路程，创造了太阳能汽车最高时速1 7 0 k m 的新世界纪录。但是，由于 太阳能的不稳定性、分散性以及太阳能收集装置效率低、成本高，直接将太阳 能作为动力驱动汽车仍然属于概念阶段。当前汽车领域对太阳能的开发重点主 要还是集中在混合动力或辅助供电上1 1 2 - 1 3 。 目前，太阳能技术在普通民用汽车上的应用形式主要为太阳能天窗，例如 奔驰e 级、奥迪a 8 、a 6 等部分车型都已配备了太阳能天窗，部分旅游观光车 也在车顶布置平板式太阳能电池作为辅助动力【1 4 】。 汽车顶部安装太阳能电池板，可有效利用太阳能为汽车电气负载供电或为 蓄电池充电。当汽车在烈日下停车熄火时，可以完全依靠太阳能电池发电来驱 动风机将车厢内高温导出，驱除车内热气而不消耗燃料。汽车在正常使用过程 中，太阳能电池发出的电能也可以直接储存在蓄电池中。车载太阳能系统由光 伏电池收集太阳能发电，通过控制器为汽车上的电气负载提供部分或全部的电 力，多余电力储存在蓄电池，直接减轻发动机因带动交流发电机转动的负荷从 而降低能耗。目前，奇瑞汽车公司已经着手于这方面的研究，将具有弧度的流 线型太阳能电池板安装于奇瑞某车型顶部，通过控制器将发出来的电提供给整 车系统，节能效果明显【6 l 。 圈一圈 $ 图1 - 2 太阳能发电系统示意图 1 4 本课题的研究内容及意义 研究表明，一般汽车的能量利用效率仅在3 0 左右，随尾气排放掉的能量 约占发动机总能量的4 0 i s l ，因此，对这部分能量的回收利用，具有重大的现 实意义。若使用温差发电系统按尾气回收效率5 来计算，相应的尾气能量回收 潜力相当于2 4 0 万吨燃油，回收利用价值巨大。太阳能是可再生能源，取之不 尽，用之不竭。随着能源的日益短缺，将太阳能发电技术应用到汽车上已经日 3 武& 4 i 大学项上学位论立 益受到重视。在目前能源短缺的环境f ，研究温差发电及太阳能发电在汽车上 的应用意义重大。 车辆目 誊 图1 - 3 汽车燃料的消耗分布 汽车电源是为车辆启动、车载电气设备及汽车电子模块提供电能的装置。 目前的传统汽车电源主要依靠车载交流发电机供电，蓄电池在车辆点火及交流 发电电机供电1 ：足时作为辅助电源供电，在电力充足时蓄电池又被充电储存能 量。 通过大量的调研发现，目前国内外还没有将汽车尾气温差发电与太阳能发 电组合构建新型车载电源系统的研究。因此，本研究的主要目的是为了弄清楚 温差发电及太阳能发电在汽车上的应用方式，构建基于温差发电和太阳能发电 的新型电源系统，并通过仿真了解系统的能量流向和效率。具体研究内容如下： ( 1 ) 研究温差发电及a 阳能发电的基本理论和系统结构，为新型车载电源 系统的构建和建模打下理论基础。 ( 2 ) 在了解各子系统结构形式及性能的基础上，构建新型车载电源系统， 提出系统的性能要求。 ( 3 ) 详细研究温差发电的理论体系，构建汽车尾气温差发电系统的数学模 型。通过f l u e n t 对废气通道箱体表面的热力学分析，建立汽车尾气温差发电的 仿真模型，分析系统的发电性能及效率。 ( 4 ) 建立新型车载电源子系统的仿真模型对a d v i s o r 进行二次开发，将 系统子模型嵌入a d v i s o r ，建立基于整车系统的新型车载电源的仿真模型。 ( 5 ) 通过汽车不同电气负载的选择，研究汽车在不同行驶工况下新型电源 各子系统的工作状态，考察系统的能量流。 ( 6 ) 分析系统效率及整车油耗。 囝 习 武汉理工大学硕士学位论文 第二章温差发电和太阳能发电的工作原理 2 1 温差发电的基本原理 温差发电即在半导体热电材料的两端存在温度差时，由于材料的特性继而 产生的热电效应，在半导体热电材料两端产生电动势的现象。热电效应是有电 流引起的热效应和温差引起的电效应的总称，它包含塞贝克( s e e b e c k ) 效应， 帕尔贴( p e l t i e r ) 效应和汤姆逊( t h o m s o n ) 效应、焦耳( j o u l e ) 效应以及傅立叶 ( f o u r i e r ) 效应，通过这五个热效应的原理，实现热能与电能的转化【1 6 。1 8 】。 2 1 1 赛贝克效应 1 8 2 1 年德国科学家赛贝克( t j s e e b e c k ) 发现：当两种不同导体构成的闭合回 路置于指南针附近，如果对该回路的其中一接头加热，指南针就会发生偏转【l9 1 。 再后来的研究和实验发现，赛贝克发现的现象是一种热电转换效应。 t i 图2 1 赛贝克效应示意图 如图2 1 所示，由两种材料a 、b 组成的回路，当接点温度不同时，回路中 产生电流，即赛贝克发现的那种热电转换效应，被称为赛贝克( s e e b e c k ) 效应。 假设接头1 和2 处维持在不同的温度7 i 和瓦( 互 互) ，在导体a 的开路位置x 和 y 之间会有一个电位差，称之为赛贝克( s e e b e c k ) 电压，其值为 k r y = 口肚( 五一互) ( 2 1 ) 只要两接头间的温差丁= 石一瓦不是很大，这个关系就是线性的，为常 数，该常数定义为两种导体的相对赛贝克系数，单位：y k ，即 d 口肋5 芽 ( 2 2 ) 5 武汉理工大学硕士学位论文 通常赛贝克系数值非常小，其常用单位是u v k ，由于电位差可正可负， 所以赛贝克系数也有正负。若电流从接头l ( 热接头) 处由导体a 流入导体b ，其 赛贝克系数口_ 曰就为正，反之为负。赛贝克系数的数值及其正负取决于所用导体 a 与b 的热电特性，与温差大小和方向无关。 表2 1 常见材料的赛贝克系数【l 9 】 材料赛贝克系数( u v k )备注 2 6 0p b i 2 t e 3 2 7 0n s b 2 t e 3 1 3 3p b i 2 s e 37 7n 3 8 0p p b t e 3 2 0n s i o 8 g e o 25 4 0p b 4 c2 5 0p 2 1 2 珀尔贴效应 珀尔贴效应是法国物理学家珀尔帖( c a p e l t i e r ) 在1 8 3 4 年发现的与塞贝克效 应相反的现象。将两块不同材料做成的导体联接成电偶，接上直流电源，当电 偶上流过电流时，发生能量转移，一个接头处放出热量变热，另一个接头处吸 收热量变冷，这种现象称珀尔贴效应 2 0 - 2 1 。 _ q _ - 呻 q - - - - 图2 2 珀尔贴效应示意图 如图2 2 所示，由a 、b 两种导体材料连接成回路，两端施加一个电动势且 有电流通过时，a 、b 两种材料构成的回路中将有电流，流过，同时在两导体的 其中一个接头处( 如l 处) 出现吸热，则在另一个接头处( 如2 处) 会发生放 热。假设接头处的吸热( 或放热) 的速率为q ，实验发现，该吸( 或放) 热速 率q 于回路中的电流，成正比，即 q = ，( 2 2 ) 6 武汉理工大学硕士学位论文 式中，乃b 珀尔贴系数，单位：形a 。 和赛贝克系数一样，珀尔贴系数的值和正负也取决于构成回路的一对导体 材料，其符号必须与口郇一致。在电流从接头1 处由导体b 流入导体a ，接头1 从外界吸收热量( 接头2 向外放热) ，此时珀尔贴系数为正，反之为负。 2 1 3 汤姆逊效应 汤姆逊( t h o m s o n ) 效应不同于赛贝克效应和珀尔贴效应，它是表示存在于单 一均匀导体中的热电转换现象。当存在温度梯度的导体通有电流时，导体和周 围环境之间进行能量交换，即汤姆逊在1 8 5 4 年发现的汤姆逊效应。 交换 泓度梯嫂 图2 3 汤姆逊效应示意图 如图2 - 3 所示，当电流i 通过均匀导体，电流方向的温度差为丁= 石一瓦时， 该导体上吸( 或放) 热率为 q = r l a t( 2 3 ) 式中，f 汤姆逊系数，单位：v k ，与赛贝克系数相同。在电流与温度 梯度方向一致时，如果导体吸热，汤姆逊系数为正，反之为负【2 2 1 。 2 1 4 焦耳效应 焦耳效应是伴随着温差电效应产生的一种不可逆热效应，不属于温差电效 应。定义在单位时间内由稳定电流产生的热量，等于电流的平方与导体电阻的 乘积，即 q ：2 r ：，2 p l ( 2 4 ) j 式中，q 由焦耳效应产生的热量，即焦耳热； ，导体通过的电流； r 导体的电阻； 7 武汉理工大学硕士学位论文 p 导体的电阻率； ，导体长度； s 导体截面积。 2 1 5 傅里叶效应 傅立叶效应是指单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量，与垂直 于这个方向的面积和该方向上温度梯度的乘积成正比，即 q ，：2 乒( 乃一毛) k 丁 ( 2 5 ) 式中，五导体的导热系数( 导热率) ； k 导体的总热导； s 导体的截面积； ，导体的长度； 乙热端温度； 耳冷端温度。 2 1 6 开尔文关系式 在热力学研究中发现，可逆的珀尔贴热电效应和汤姆逊温差热电效应与赛 贝克热电动势之间存在一定的关系，即开尔文关系式【2 3 】。 = 等 ( 2 6 ) 一d a , , o ：三盘 ( 2 7 ) d tt 、 开尔文关系式给出了赛贝克系数、珀尔贴系数、汤姆逊系数三者之间关系， 对温差发电的研究具有重要的意义。 2 2 热电转换的优值系数 在温差发电的研究中发现，较好的热电材料必须有较大的赛贝克系数，从 而保证有比较好的温差电效应。此外，还应有较小的导热系数( 或称热导率) ， 以使热量保持在接头附近，同时，需要电阻较小，从而使产生的焦耳热最小。 目前，一般用热电转换的的优值系数z 来描述热电材料的热电性能t 2 4 1 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ， 伐6 z = 一 z 式中，口材料的赛贝克系数； 盯材料的电导率； 兄材料的导热系数( 或称热导率) 。 2 3 温差发电的半导体材料 ( 2 - 8 ) 温差发电性能的好坏跟热电材料的性能有直接的关系，因此，选择高优值 的热电材料用于温差发电一直是热电转换研究的重要内容。 目前，在温差发电材料的应用中，研究比较成熟并且已经用于热电器件的 绝大部分是半导体热电材料。在不同的温度范围内优值较高的材料主要有以下 几种，如下表2 2 所示【7 】： 表2 2 在不同温度范围可选择的热电材料 类型温度范围热电材料 低温 3 0 0 b i 2 t e 3 及其同溶体合金 中温 3 0 0 6 0 0 p b t e s n t e 高温 6 0 0 - - 10 0 0 s i g e 、m n t e 、s i r e 2 、c e s 等 此外，在热电新材料的研究方面，稀土硫化物、硒化物、富硼固体、钴酸 盐类氧化物、方钴矿型化合物等，都较适于做热电模块的材料。热电材料新结 构方面，包括梯度材料、复合材料和量子阱结构的热电材料等也都有新的研究 进展【2 5 】。 2 4 太阳能发电的原理 科学家在1 8 3 9 年发现，光照可以使半导体材料的不同部位之间产生电位差， 这种现象被称为“光生伏特效应”，即“光伏效应。1 9 5 4 年，美国贝尔实验室 首次制成了实用的单晶体硅太阳能电池，代表将太阳光能转换成电能的实用光 伏发电技术的诞生【2 6 】。 太阳能光伏电池是由半导体构成的，实现光电转换主要依靠其表面金属薄 膜似的半导体薄片，利用光伏效应将光能转化成电能的装置。当太阳光照射时， 一部分被表面反射，其余被半导体透过或吸收。被吸收的太阳光，一部分变成 9 武汉g i 丈学硕士学位论文 热，另一部分光子则组成半导体的原子价电子碰撞，产生电子一空穴对。因此， 太阳光能以产生电子一空穴对的形式转变为电能，半导体薄片的另一端和金属 薄膜之间产生的电动势，即“光伏效应”b 7 】。 图2 _ 4 太阳能电池的单个模型1 2 8 i 如图2 - 4 所示太阳能电池的单个模型，阳光照射在p n 结上，电子流入n 区， 空穴流入p 区，十是n 区储存了过剩的电子，p 区存储了过剩的空穴，使p 层 带正电n 层带负电，在n 与p 之自j 的薄层产生光生伏特电动势。 25 太阳能电池组件及方阵 电池单元( c e l l ) 是光电转换的最小单元，易碎、发电小( 一片太刚能电池 单元工作电压只有04 8 伏左右) ，不能满足负载的用电要求，一般不单独作为电 源使用。通常，将采取定串井联方式连接的太阳能电池元件利用e v a 、t p t 及玻璃经过热压封装做成太阳能电池组件( m o d u l e ) ，就能输出一定的电压、电 流和功率，一般功率可达几f 瓦甚至数百瓦。 图2 5 太阳电池组件和方阵f “i 实际应用中，一块组件仍然不能满足大部分负载的用电要求，仍要将组件 武汉理工大学硕士学位论文 依据一定串并联方式组合成直流发电单元，即太阳能电池方阵( a r r a y ) ，就构成 了“太阳能发电机( s o l a rg e n e r a t o r ) 。太阳能电池单元、电池组件及电池方阵 之间的关系如图2 5 所示。 2 6 太阳能电池最大功率点跟踪( m p p t ) 的原理 在常规线性系统电气设备中，为了使负载获取最大的功率，通常使负载电 阻等于系统内阻，以使电气设备输出最大功率，这种负载匹配方法只适用于内 阻不变的简单供电系统。太阳能电池系统中，电池的内阻受日照强度、环境温 度及负载的影响，一直处于不断的变化中，因此不能用上述简单的方法来获取 最大输出功率。 目前，在太阳能电池阵列和负载之间增加一个d c d c 变换器，通过改变 d c d c 中功率开关管的导通率来控制、调整太阳能电池阵列，以使其工作在最 大功率点，从而实现太阳能发电的最大功率跟踪控$ 1 t ：9 - 3 n 。 最大功率点的跟踪m p p t ( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ) 实现的实质是 自寻优的过程，即通过控制太阳能电池的阵列端电压，使阵列能在各种不同的 日照和环境温度下，一直保持智能的输出最大功率。 由于数字控制器、半导体功率器件、微处理器的发展，人们将m p p t 控制 与d c d c 连接，依靠硬件控制来实现最大功率点的跟踪，具体方法如下： ( 1 ) 检测发现，在固定的外界环境下，最大功率点与电路变量( 如短路电 流、开路电压) 成线性关系，可以通过d s p 控制技术，控制输出的电压和电流， 以使输出的功率达到最大【3 3 j 。 ( 2 ) 通过单片机控制d c d c 变换器的占空比，调节太阳能电池的端电压， 以使输出的功率达到最大 3 4 - 3 5 1 。 ( 3 ) 把小正弦信号输入给d c d c 变换器，改变开关频率来调节太阳能电 池的端电压，以使输出功率达到最大【3 6 】。 2 7 本章小结 本章介绍了温差发电和太阳能发电的基本原理，为新型电源系统的建立及 性能研究提供理论依据。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章新型车载电源系统的结构及性能要求 传统的汽车电源系统主要包括交流发电机、电压调节器、蓄电池等，供给 汽车全部用电设备的需求。蓄电池主要在发动机启动时给点火系统供电，在少 数发电机发电不足情况下给电气设备供电。发电机在正常工作时由发电机向整 车电气设备供电，同时给蓄电池充电，储存剩余电能，以保证蓄电池拥有足够 的电力。电压调节器将发电机输出的电压稳定在一定范围，防止电气设备因电 压起伏过大而烧毁。 在新型的电源系统中，与传统车载电源系统相比主要的交流发电机、电压 调节器、蓄电池都没有变化，只是将温差发电机( t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o r ) 和 太阳能发电机( s o l a rg e n e r a t o r ) 与交流发电机并联，组成一个紧密联系的新型 车载发电系统，共同为车载电气设备供电。 3 1 温差发电系统 3 1 1 温差发电的系统组成 温差发电机实际上是利用汽车发动机尾气温差发电的系统，它将尾气带走 的发动机余热有效地利用起来，利用半导体热电模块的热电转换效应，进行温 差发电。如图3 1 为发动机尾气温差发电系统的组成结构。 图3 1 温差发电系统组成结构 温差发电系统的核心部分为温差发电器，整个系统组成还包括汽车发动机 1 2 武& 1 。 学碰j 。学位论z 系统、热电控制系统及蔷电池。 发动机燃烧做功排出的废气，经温差发电器回收利用，将热能转换成电能， 通过莆电池管理系统将电能提供给电气负载或者给电池充电。 整个系统拥有一个比较复杂的控制系统即热电控制系统，它包括水温控制 器、热电模块控制器、蔷电池管理系统及三通电磁阀。水温控制器主要用于控 制冷却水泵工作状况，通过检测冷却水箱的水温而控制水循环的速立以获得较 好的热电模块冷源。热电模块控制器主要椅测每块热电模块的工作状态，包括 实时电压、电流、及内阻的变化，此外，还检测每块模块的两端温度，当模块 热端温度即将达到其能承受的最高温度时，控制= 通电磁阀丌启分流1 | 1 分废 气，以降低模块热源温度。蓄电池管理系统主要是监测电池的s o c 状态，以控 制交流发电机的工作状态，并及时为电池充电。 3 12 温差发电器 温差发电机的核心是汽车尾气温差发电器，主要结构包括半导体热电模块、 废气通道箱体和冷却水箱，如图3 - 2 所示为平扳式温差发电器”1 。 i 目* i 躅3 - 2 温差发电器结构示意图 如图所示，浚发电机为对称结构，半导体热电模块柑_ 置1 ：废气通道箱体和 冷却水箱之间。废气通道箱体储存发动机的排气废热，给热i 乜模块提供一个高 温，即模块的热源；冷却水箱里水由水泵控制，不断循环流动维持个低温， 即模块的冷源：根据温差发电的原理，在半导体模块两端存在温差的情况下， 模块两端产生电动势。通常，在热电模块的两端固定用于导热、绝缘的陶瓷片 或者导热绝缘m ，然后采取定的串并联接线方式，将全部的热电模块组合成 发电单元即构成温差发电器。 武& t 大学碗七学位论主 313 废气通道箱体的布置位置及结构 | | 囊霞 ；i 卜_ - 3 。吣刨 夕一一 ( c ) 图3 4 箱体内部结构 ( d ) 武& 理t 太学坝 学位论文 如图3 _ 4 所示为几种废气通道箱体内部结构。实验研究表明内部镂空的废 气通道箱体仅入口和箱体中间区域温度较高，箱体的后端及两边区域温度较低， 热量在箱体内储存少，热量传递效率低。为了寻找箱体表面温度分布较均匀的 箱体，在反复热力学仿真、实验后，图3 _ 4 ( d ) 型结构可使箱体表面获得高且 均匀的温度分布。箱体内设置挡板，且不同位置挡板的孔大小不同，入口处挡 板的孔大于出口挡板的孔，挡板两边的孔大于中间的孔【蜩。 3 14 半导体热电模块厦性能 半导体热电模块是温差发电器的重要组成部分，其性能的好坏对温差发电 的性能有着显著的影响，研制性能优越的温差发电器，半导体热电模块是关键。 目前在热电模块及温差发电材料的研究领域，国外有h i z 、f u m k a w a 、k o m a t s u 公司走在了前列，他们生产的模块内阻小，发电量高，性能优越，国内也有如 上海中和、江苏冰雪等公司致力于热电模块的开发和生产。此外，在高校领域， 武汉理工大学材料学院作为“9 7 3 ”热电材料研制的首席单位，热电材料的研究 水平处于全国前列。 ( a ) h z 一2 0 的实物 黼t v )m t ) ( b ) 开路电压温差曲线( c ) u i 及p - i 曲线 图3 - 5h z 2 0 热点模块性能曲线 武& 4 1 大学砸i 学位论文 美国的h i - z 公司是专业制造热电模块的机构，其生产的模块已经投入实际 装车阶段，实用性及转换效率都很高。以其公司主导产品h z - 2 0 型热电模块为 例，其外形尺寸为7 5 7 5 x 5m m 3 ，重1 1 5 9 单片模块在冷热两端温差为2 0 0 时的发电量至少可达到1 9 w ，其性能曲线如图3 - 5 所示。 315 发动机尾气温差发电实验台 武汉理工大学汽车工程学院将热电模块布置于发动机排气系统，研究其发 电效能，属于国内这一领域研究起步较早的科研院校。 图3 7 太阳能发电系统 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 太阳能电池方阵 太阳能电池方阵是利用光电转换原理将太阳辐射能直接转换为电能的设 备，按要求它应有足够的输出功率和输出电压。太阳电池方阵是由若干个太阳 能电池组件串、并联连接构成的阵列。在有阳光照射时，太阳能电池方阵对负 载供电，同时提供一些电能存储于蓄电池中。 ( 2 ) 调节控制器 调节控制器是整个系统核心，由电子线路和继电器等组成。它的作用、线 路形式和复杂程度，由系统的功率要求和重要程度来确定。首先，要实现太阳 能电池的最大效率的跟踪，保证太阳能电池对外输出的功率最大。其次，为蓄 电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效地为蓄电池充电，同时保 护蓄电池，防止过充的发生。 ( 3 ) 阻塞二极管 阻塞二极管串接在太阳能电池方阵电路中起单向导通作用，它的目的是防 止电流的反充流通。 ( 4 ) 蓄电池组 蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，在无日照的夜间或阴雨天气，它 对负载供电。 3 2 2 太阳能电池板的输出特性 太阳能电池板输出电压和电流受光照强度、环境温度以及连接的负载影响。 在光照强度一定、环境温度不变的条件下，太阳能电池的开路电压v 与电池的 输出电流i 之间的u i 特性曲线如图3 - 8 、3 - 9 所示【2 7 】。 根据太阳能发电的原理，图示u i 曲线上任何一点都可以作为工作点，曲线 的纵横坐标即为对应在相应工作点下的工作电压和电流，在该点的输出功率为 工作电流和工作电压之乘积，即p = u i 。所以，以电压为横坐标，输出功率为纵 坐标即可绘出太阳能电池的u p 特性曲线，如图3 8 所示。由功率电压特性曲 线可以看出，太阳能电池的最大功率点即在电流和电压的最佳汇合处p m a x ，即 有p m a x = u m i m 。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 p ( w ) 一p i 。 图3 8 太阳能电池的u i 特性曲线图3 - 9 太阳能电池的u p 特性曲线 从u p 特性曲线图可以发现，u m 和i m 的乘积即为太阳能电池最佳工作点 的横纵坐标所确定矩形区域的面积，该面积越大，表明电池的输出特性越好。 假设在一定光照强度下的u i