1．目的及意义

当今世界所消耗大多数能源属于不可再生资源，随着不可再生能源总量下降，如何节约能源成为当下急待解决的问题之一。近年来，我国能源需求量与日俱增，已成为世界第二大能源消耗国，且现阶段我国能源利用率较低，只有约33%。随着汽车行业的快速发展，汽车行业石油消耗量占总石油消耗量的比重愈来愈大，近几年我国内燃机的石油消耗约占石油总消耗量的66%。而目前汽车热损失很大，相关研究表明，汽车燃料产生的能量中通过冷却系统带走的占30%，通过内燃机运转摩擦损失的占5%，通过汽车尾气带走的热量高占燃料热值的30-45%，而残余废气的温度在700-900℃左右。排气带走的热量不仅量大而且品质高，是发动机余热能回收的重点。通过对排气的可用能的分析，排气可用能相当于发动机输出功率的20-50%，如果可以有效地回收排气能量，将有助于提高车辆的动力性能和燃油经济性，更重要的是能够节约石油资源，缓解能源压力，减少温室气体排放，这些能带来巨大的经济效益和社会效益^[1]。

发动机排气余热能回收利用技术有很多，主要包括废气涡轮增压、废气涡轮发电、有机朗肯循环、余热制冷、温差发电等。废气涡轮增压是现在应用最多的余热回收方式，但它的问题是与发动机的全工况匹配较难实现，尤其是在低负荷、低转速工况，而且在工况迅速变化时，涡轮的滞后现象较为严重。废气涡轮发电由于大幅度增加成本和机构的复杂性以及对电池要求极高等问题没有的得到解决，无法得到普及。朗肯循环余热回收装置由于装置结构复杂、体积较大，成本高等问题，其在车用发动机领域的应用受到限制。对于余热制冷而言，汽车空调工作时要消耗相当比例的发动机动力，会对发动机动力性和经济性产生影响。而温差发电技术由于结构简单、小巧，无运动件，故障率低，寿命长，易于布置，工作时无振动等特点，具有广阔的应用前景。目前温差发电技术难点是热电转换效率不高以及价格较高。而近年来，随着材料科学领域研究的突破，出现了一些性能较好的热电转换材料，这为汽车尾气能量的回收利用、提高能源利用效率提供了一种新的途径和方法。目前，国内外已经兴起利用热电材料的温差发电效应回收汽车发动机尾气能量的研究热潮。

针对温差发电器特性国内外学者从不同的方向进行了研究。贾磊等^[2]对温差发电器件导热系数进行理论分析，通过建立器件模型并结合传热学理论导出器件等效导热系数的数学表达式，拟合计算出的器件的等效导热系数与温度的函数表达式与实验结果基本吻合。王成江等^[3]建立了球形温度场中平面温差发电器的热电输出计算模型。张晓丹^[4]建立了温差电单体仿真模型，对其进行了热、电、应力耦合仿真分析。结果表明：功率随臂长增大先急剧增大而后逐渐减小为接近一恒定值；温差电组件输出功率随面长比的增大而以凸形抛物线的形式增大，而后缓慢变小，温差电转换效率随着面长比的增大而逐渐减小。王春燕等^[5]对温差发电器模块连接方式进行研究，建立了多级温差发电器串并联连接的分析模型，得到了三种连接方式的输出特性。

在如何提高温差发电器性能的问题上也有很多学者进行了研究，任德鹏和贾阳^[6]及刁海^[7]通过理论计算得出结论：水冷方式的温差发电器的性能最佳;温差越大，温差发电器的输出电压、功率越大；提高换热系数能提高发电器的输出功率及热电转换效率;负载电阻越大，输出功率先升高再下降;电流越大，输出电压越低，温差发电器的输出功率先升后降；提高排气通道内的排气流量、温度，可以显著提高温差发电器的性能。He和Wang^[8]发现通过优化排气交换器的尺寸，TEG的净功率输出可以显着高于发动机功率损失。于书海^[9]通过实验验证得出结论：温差发电系统应尽量采用水冷以增强冷端换热；应根据不同的负载情况或者工作电流情况，选用适宜的串联或并联组合方式，使发电性能维持在较大的输出功率区间。

在理论分析的基础上还有学者根据实际设备进行进一步研究，得到了更具体的研究成果。胡伟平等^[10]对矩形通道结构模型进行数值模拟与分析得到强化换热性能最优的翅片结构为L=400 mm，d=20 mm，h=50 mm。李彦哲等^[11]搭建了一套可以模拟汽车尾气排气的试验系统，发现由于泡沫金属的填充，通道壁面的换热系数从50 W/(m²·K)提高到200W/(m²·K)以上。Zhao等^[12]针对锅炉中温差发电器提出通过加湿气体提高发电机的性能，不仅提高了最大输出功率，而且减少了最大功率输出所需的热电模块面积。李浩等^[13]搭建了一种并联式混合动力汽车的顶层仿真模型，通过仿真实验得出结论：具有最佳节油效率的温差发电器热电模块数量为180左右。袁晓红^[14]设计开发了一种由两层热端气箱、三层冷端水箱、四层温差发电模块及四组夹紧装置构成的温差发电装置，数据结果显示：以40km/h车速为例，在整车百公里油耗升高0.4%的情况下，温差发电装置输出功率升高了208%。舒歌群等^[15]针对大功率车用柴油机的筒式温差发电装置中存在换热效果不理想的问题，研究了加装不同尺寸导流装置强化换热对输出影响。结果表明：当采用60 mm导流装置时，系统净输出功率取得最大，达到651.1 W，较原系统436.5 W提高了49.2% 。

上述研究的对象均为平板式温差发电器，而汽车排气装置均为圆筒形，将平板式温差发电器与圆形排气装置结合必然会出现几何不匹配现象，这会增加接触热阻而严重影响温差发电器性能。对此有的学者提出利用多边形排气装置代替圆形排气装置，比如张晓丹^[4]和舒歌群^[15]等分别采用横截面为正八边形和正六边形的排气通道，还有学者提出可采用平板式排气通道，比如袁晓红^[14]就设计开发了一种平板式排气装置，虽然这些措施可以较好消除由于几何不匹配而产生的接触热阻，但其改变了汽车排气装置原有结构，会增加空间占用率，这势必会影响汽车整体结构的紧凑性，而且改变排气管形状会增加质量，这会对汽车动力性和经济性产生影响，甚至会有安全隐患。因此为了解决平板式温差发电装置存在的问题，有学者提出一种环形温差发电系统，对于环形热电发电系统国内外也有学者进行研究。

Shen等^[16]分析了恒热通量下外部负荷、冷端传热能力和臂高对温差发电器的影响并与恒温条件对比。结果表明，与恒温条件相反，功率随着臂高的增加而增加；最大化性能的外部负载大于内部电阻；随着冷端的传热能力增加，模块性能降低，先急剧下降后趋于平缓。对于环形尾气热电发电领域，Bauknecht等^[17]发现具有环形几何形状的热电模块作为堆叠集成到管式热交换器中时可以在管的外表面上产生更高的传热系数，这对汽车余热回收极具吸引力。

目前国内外对环形尾气温差发电器的研究还较少，并存在不足，Bauknecht等^[17]研究的为管外废气流动的排气装置，这种装置限制了温差发电单体的数目从而限制输出；Shen等^[16]考虑了恒温以及恒定热通量条件下温差发电器输出特性，这与汽车尾气沿排气通道温度逐渐下降的事实不符合，因此接下来本文将采用管内废气流动的方式并考虑排气温度下降的事实对温差发电器的特性进行研究。
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2. 研究的基本内容与方案

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1. 研究（设计）基本内容及目标

本论文对环形汽车尾气热电发电系统进行研究。论文的主要内容包括以下几个方面：汽车热电发电系统的基本介绍；根据建立环形尾气热电发电器理论模型；并根据所建立模型，基于Matlab进行计算与结果分析。

论文的组织结构如下：