汽车尾气热电发电系统热量存储与传递过程优化研究

Thermoelectric generation (TEG) using exhaust may serve as accessory power source for the vehicle and improve the fuel efficiency. It is of great significance to alleviate the pressure of energy sources and environmental pollution problems. However, the application of this technology is limited because the exhaust heat usage efficiency and the thermoelectric conversion efficiency are rather low. In this study, the technologies of phase change heat storage and nanofluid heat transfer enhancement will be used in the automobile exhaust TEG system. Combined with the optimal design of the system, the exhaust heat usage efficiency, the thermoelectric conversion efficiency, and the generation stability of the TEG system are aimed to be enhanced. The heat storage and transport processes among the heat storage unit, heat exchanger of hot side, thermoelectric devices, and the heat exchanger of cold side will be studied. The relationship between the exhaust heat usage efficiency and the thermoelectric conversion efficiency and the basic physical properties including latent heat, phase change temperature, and the thermal conductivity, etc. of the phase change materials (PCMs) and nanofluids will be investiagted. The numerical method for simulating heat transfer processes in the vehicle exhaust TEG system with PCM heat storage and nanofluid heat transfer enhancement will be established. The optimal matching among the key factors including the TEG system strcture, PCM, and nanofluid, etc. will be further studied. Theoretical guidances and technical approaches for optimally designing and manufacturing novel and high performance TEG systems will be developed. Also the scientific basis for utilizing TEG systems in recycling vehicle exhaust heat with high efficiency will be provided.

汽车尾气热电发电(TEG)可以作为附加电源，提高燃油利用率，对于缓解能源压力和环境污染问题具有重大意义。但由于尾气废热利用率和热电转化效率偏低,限制了该项技术的推广应用。本项研究拟在汽车尾气TEG系统中采用相变储热和纳米流体强化传热技术，结合系统结构优化设计，提升汽车尾气热量利用率，从而提高TEG系统发电效率及稳定性。通过研究TEG系统储热单元、热端换热器、热电器件、冷端散热器等之间的热量存储和传递过程，探寻相变材料（PCM）及纳米流体的相变潜热、相变温度、导热系数等基础物性与废热回收率及TEG系统效率之间的关联性规律；建立结合PCM储热和纳米流体强化传热的汽车尾气TEG系统传热过程的数值模拟方法；研究TEG系统结构、PCM、纳米流体介质等关键要素的优化匹配。旨在为优化设计制造新型高效TEG系统提供理论指导和技术途径，同时为TEG系统在汽车尾气高效回收中的应用提供必要的基础性科学依据。

热电发电（TEG）系统结构紧凑、性能可靠、移动性好，运行时无噪声、无磨损和无泄漏，尤其适用于低能量密度能量的回收利用，在汽车尾气废热回收利用等领域均具有广泛的应用前景。但汽车尾气热容量小、TEG系统效率较低，限制了TEG系统在汽车尾气能量回收中的应用。本项目针对汽车尾气TEG系统涉及的关键科学技术，在项目组前期工作和实践基础上，对TEG系统在汽车尾气废热利用中涉及的热量传递过程及其优化转换进行了研究。通过优化设计TEG系统结构，在TEG系统热端添加以金属合金等为相变材料（PCM）的储热部件，冷端散热器采用优选的纳米流体为强化传热介质，探索了提高余废热利用率的有效途径。通过研究金属基Sn-Zn-Cu共晶合金和甘露醇/二氧化硅复合PCM的制备工艺和组份对PCM相关性能的影响规律，形成了优化PCM相关热物性的技术途径。研究了不同PCM的热物性、储热结构与热电模块（TEM）发电性能之间的关系，建立了PCM的导热系数、相变温度及潜热，换热器与PCM相对位置及接触方式等与废热回收率之间的内在关系，探索了适用于汽车尾气废热回收储存的PCM体系。通过对比分析纳米流体在散热器中的强化传热作用效果及其影响因素，建立了纳米流体导热系数、粘度及比热容等基础物性和流速、温度等输运参数与冷端温度及热电转换效率之间的关联性规律，厘清了影响纳米流体强化传热性能的主要因素，形成了强化汽车尾气热电发电系统冷端散热性能的技术途径。通过研究换热器与热电转换器件、换热器与PCM、PCM与热电转换器件、热电器件冷端与散热器等之间的传热过程，形成了优化热电发电系统能量分配的机制，建立了降低热端换热器及冷端散热器热阻的方法。利用模拟汽车尾气试验台架提供的多种稳定的汽车尾气状态，综合考虑汽车尾气的能量特征和车用热电器件的应用环境，通过比较分析有无相变储热模块，汽车尾气风速、温度以及冷端换热能力对TEG系统输出功率的影响，厘清了TEG系统在不同工作状态下影响传热性能和转换效率的主要因素，建立了PCM和纳米流体热物性与废热回收率及TEG效率之间的内在联系，探索了车用TEG系统结构优化设计方法。这些研究将为优化设计制造新型高效TEG系统提供理论指导和技术途径，同时为TEG系统在汽车尾气高效回收中的应用提供必要的基础性科学依据。