[发明专利]一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法

说明书

本发明公开了一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，用来评价车载温差发电系统输出性能的好坏。水冷式车载温差发电系统由换热器、温差发电片和散热器组成，当尾气流经换热器、而冷却水流经散热器时，会在温差发电片两端形成温差，由此产生电能以给负载供电；然而，车载温差发电系统在产生电能的同时，由于本身结构的重量会造成车辆额外的重力损失，另外，尾气流经换热器和冷却水流经散热器时也会增加流体流动的阻力，造成泵能损失。因此本发明通过分别计算温差发电系统的输出功率、重力损失、尾气泵能损失和冷却水泵能损失，最终得出净输出功率。根据净输出功率的多少，定量评价该车载温差发电系统的输出性能，具有较大的实用价值。

技术领域

本发明属于车辆尾气废热回收领域，具体涉及一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，用来评价车载温差发电系统的输出性能。

背景技术

温差发电是指利用热电材料制成的半导体PN结在温差作用下会定向移动而产生电流的效应，进行热能回收的一种技术。温差发电系统由热端换热器、冷端散热器以及夹在中间的温差发电片三个结构组成，其具有诸多优点，如结构简单、没有复杂的运动部件、无污染、无噪音、寿命长和直接将热能转化为电能等。近年来，得益于热电材料的发展，温差发电系统显示出其良好的应用场景，如航空航天领域、工业废热回收和汽车尾气废热回收等领域。其中，汽车尾气废热回收领域已有不少学者研制出样机装于车辆上进行试验，并展现出良好的应用潜力，最高能节省10％左右的燃油消耗率。然而，车载温差发电系统在产生电能的同时，由于其本身的结构重量会带来额外的车辆重力损失，另外，尾气流经散热器时受制于结构的影响，会产生尾气的排气阻力损失，也称背压损失。如果散热器采用水冷方式，常与汽车发动机共用一个水冷，也会增加冷却系统的泵能损失。国内外有不少学者研究了温差发电器应用于汽车废热回收领域的回收潜力，以燃油节约率等为评价指标综合分析了其性能。然而，很少有学者综合考虑温差发电器装于车辆上带来的附加损失，即使有考虑到温差发电器的泵能损失，其压强差的确定也是利用实验手段测量而得，没有给出具体的的理论计算公式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，该方法基于流体力学等理论，充分考虑了温差发电器结构对流体流动产生的阻力大小，计算得到尾气泵能损失和冷却水的泵能损失，再结合温差发电器的输出功率和重力损失，最终得到温差发电系统的净功率输出。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种水冷式车载温差发电系统净输出功率的计算方法，首先确定温差发电系统的输出功率P_teg，再确定系统的重力损失功率P_w，分别计算尾气的泵能损失P_b1和冷却水的泵能损失P_b2，最后由公式P_net＝P_teg-P_w-P_b1-P_b2计算得到系统的净输出功率。

进一步，所述确定温差发电系统的输出功率P_teg的具体过程为：

温差发电系统的输出功率P_teg为所有温差发电片输出功率之和：

其中，n为温差发电片的个数，i表示第i个温差发电片，α为温差发电片的塞贝克系数，表示第i个温差发电片的热端温度，表示第i个温差发电片的冷端温度，R_L表示负载电阻，R_in为单个温差发电片的内阻。

进一步，所述确定系统的重力损失功率P_w的具体过程为：

重力损失功率P_w可由车辆滚动阻力损失公式计算：