[发明专利]基于热电材料半导体特性的非均匀强化翅片温差发电器

说明书

基于热电材料半导体特性的非均匀强化翅片温差发电器，利用半导体温差发电技术来回收汽车尾气中的余热能，高温废气经过散热翅片废气通道，复合传热翅片废气通道内壁的传热翅片采用由稀疏至密集的方式放置，沿程方向上高温废气和半导体热电模块热端面间的换热效果逐渐增强，最终实现半导体热电模块热端面的表面温度沿程方向变化幅度不大，保证热电材料工作在其最优工作区间，从而提高热电转换效率，增大输出功率，本发明解决了高温废气余热能在热电转换利用过程中热电转化效率低的问题。

技术领域

本发明属于余热能回收技术领域，特别涉及基于热电材料半导体特性的非均匀强化翅片温差发电器。

背景技术

随着全球科技水平的快速发展，人类社会尤其是城市已经迈入了汽车时代。近年来，中国汽车销量快速增长，汽车在行驶过程中只消耗不到30％的能量，有约70％的能量转化为废热并以尾气的形式排放到空气中，造成了严重的空气污染。汽车排放到空气中的尾气温度可以高达600℃-700℃。如果将这部分热量回收，将有利于解决能源短缺和利用问题。因此，如何有效地回收利用尾气中的能量已经成为了人们关注的焦点。温差发电器是基于塞贝克效应制作而成的固态元件，其工作原理是在两块不同性质的半导体两端设置一个温差，于是在半导体两端就产生了直流电压。温差发电器可将热能直接转换成电能，并且在转换过程中不需要机械部件，不需要驱动力以及传动系统，因此，具有无污染、无磨损、重量轻、体积小、寿命长、性能稳定等优点。目前，随着全球工业化的出现，我们正面临着能源危机和环境恶化的威胁，人类的发展需要更多地关注绿色能源技术，这使得半导体温差发电技术越来越引起人们的关注。但一般温差发电器将余热能转化为电能的效率较低，且输出功率较小，所以多用于小型电源。

利用半导体温差发电技术来回收汽车尾气中的余热能，并将其转化为储存在蓄电池中的电能，成为当前日渐青睐的废热回收技术之一。在热电系统中，半导体温差发电器的输出功率和工作效率都是热电材料优值系数(ZT值)的函数，且随ZT值的增大而增大。但由于热电材料具有较强的温度依存性，ZT值随热源温度的不同而变化，只有在其最优工作温度下ZT值才会获得较高值，因此热电系统的高转换效率需与热源温度相匹配。而汽车尾气具有较高的温度，为充分回收余热能，流经温差发电器后的最终排放温度较低，由此，流体通道方向较长，且沿尾气流动的方向上流体温度不断降低，在相同的换热条件下，将导致半导体温差发电器热端面表面温度也随之不断降低，热电材料表面则存在较大的温度梯度。考虑热电材料温度依存性的影响，沿程方向存在的大温度梯度势必会对热电器性能的发挥产生影响，只有热源在适合的温度工况下工作时，热电材料才能获得高性能发挥。当热源温度远离这个工况时，热电材料将无法发挥出最佳性能，热电转换效率将大大降低。因此，在充分利用废气余热的同时，如何实现热电器与热电材料的优化匹配是关键。

现有热电技术中均采用常规矩形或正多面体等截面平板或圆筒结构的尾气换热通道，很少考虑流体流动方向上温度梯度的影响，即便考虑也只是从改善热电材料性能进而去适应温度梯度的角度，受限于热电材料技术的发展。本设计则充分考虑废气余热温差发电系统的温度梯度特征，并基于换热传热机理从减少热电器沿程温度梯度的角度，来实现热电性能的有效提高。

发明内容

本发明为解决高温废气余热能在热电转换利用过程中产生的沿程大温度梯度给热电材料性能造成的不利影响，提出一种基于热电材料温度依存性的新型高效温差发电器，通过改变尾气和半导体热电模块热端面间的传热系数，进而通过传热热阻的变化实现热电模块表面温度在流体流动方向上的小梯度温度变化，保证热电材料工作在最优工作区域内，从而提高热电转换效率，增大输出功率。

本发明采用如下的技术方案：

基于热电材料半导体特性的非均匀强化翅片温差发电器，包括冷却水通道1、半导体热电模块2、蓄电池和设置在半导体热电模块2之间的多级单体废气通道3，其特征在于：

多级单体废气通道3依次排开，上一级单体废气通道3的出口与下一级单体废气通道3的入口相连通；