发动机余热发电系统设计方案

发动机余热发电系统设计方案

1.1 课题研究的背景

我国建设节约型社会的现状不容乐观，进入21世纪以来，我国经济社会继续保持了快速发展的势头，取得了有目共睹的伟大成就，也遭遇前所未曾有过的资源约束和环境制约。针对这些情况，中央适时地提出了建设资源节约型、环境友好性社会等一系列新的观念和决策。节约型社会目的是通过“加快建设资源节约型社会，推动循环经济发展。解决全面建设小康社会面临的资源约束和环境压力问题。保障国民经济持续快速协调健康发展(国办发(2004330号文件)，强调在经济活动中节约资源和保护环境的同等重要性，要求经济效率和环境保护并驾齐驱。要求人类发展生态经济，追求以节约资源、能源和减少污染为前提的生念经济效率，要求人类在经济活动中实现经济与环境的协凋统一。目前，建没节约型社会多从节能技术、绿色技术、循环经济等方面展开，这有利于节约型社会建设的深入发展。在现在这个飞速发展的社会通无疑是很重要的一块，而汽车、飞机、船舶等交通运输工具又是不可或缺的，而发动机是汽车、飞机、船舶等交通运输工具的核心部件，其应用围非常广泛。随着人类社会的发展，发动机的数量急速增加。以汽车为例，2005年汽车保有量达3300万台，预计2010年将超过7000万台。与之相对应的是发动机数量的剧增和废热的大量排放。调查研究表明，发动机燃料燃烧所发出的能量只有34％～38％（柴油机）或25％～28％（汽油机）被有效利用。其它的能量被排放到发动机体外，仅由排气带走的热量就占进入发动机中的燃料所产生热量的30％～45％。这一方面造成了较大的能源浪费，另一方面使周边环境温度升高，带来了城市的热岛效应等不良影响。热污染首当其冲的受害者是水生物，由于水温升高使水中溶解氧减少，水体处于缺氧状态，同时又使水生生物代率增高而需要更多的氧，造成一些水生生物在热效力作用下发育受阻或死亡，从而影响环境和生态平衡。此外，河水水温上升给一些致病微生物造成一个人工温床，使它们得以滋生、泛滥，引起疾病流行，危害

人类健康。随着人口和耗能量的增长，城市排入大气的热量日益增多。按照热力学定律，人类使用的全部能量终将转化为热，传入大气，逸向太空。这样，使地面反射太阳热能的反射率增高，吸收太阳辐射热减少，沿地面空气的热减少，上升气流减弱，阻碍云雨形成，造成局部地区干旱，影响农作物生长。近一个世纪以来，地球大气中的二氧化碳不断增加，气候变暖，冰川积雪融化，使海水水位上升，一些原本十分炎热的城市，变得更热。造成热污染最根本的原因是能源未能被最有效、最合理地利用。在其它工程机械、船舶、飞机运输工具中，发动机对能量的利用效率也存在同样的效率低、能源浪费等问题。现代化国家的经济发展和能源有着密切的关系，在正常的情况下，经济发展与能源之间存在着正相关，也就是说，能源消费量越大，国民生产总值也越高。反之，能源不足就会影响国民经济的发展，甚至会造成巨大的损失。据分析，由于能源不足所引起的国民经济损失，约为能源本身价值的20到60倍。由此可见，不论哪个国家哪一个时期，若要加快发展国民经济，就必须保证能源消费量的相应增长。目前，我国正处于改革开放的前期阶段，要尽快发展社会主义经济建设，除了其他的必要条件外，还必须重视能源这一重要的物质基础。因此，能源是我国更好地进行社发济的关键。一方面要增加能源的采集，另一方面还要注重提高能源的利用率。

1.2课题研究的意义

节能与环保是21 世纪人类面临的严重问题。中国正处在持续发展的关键阶段, 开发新能源和充分利用低品位能源、废能源具有重大意义。同时, 通过节能可以节约大量燃料, 对于降低我国在二氧化碳, 二氧化硫和氮氧化物的排放都具有直接的影响。我国在各种工业过程中存在大量的热能浪费现象, 发展各种环境友好的节能技术, 是十分重要的。

本课题的意义在于：一方面不仅提高了对能源的利用率，节约了能源，另外一方面也减少了对大自然的热污染，保护了环境。

1.3 国外余热发电的研究现状

目前在微小型热电发电器的研究方面，国外对微型热电发电机研究比较完善的有Princeton 大学、南加州大学和Michigan 大学。美国USC 空气动力实

验室于2000 年推出微型热电发电机（MicroFire），德国Dresden 科技大学，利用铜箔作为介质研发了一种微型热电发电器，其面积为16*30mm^2,输出电压达到250mV。美国和日本是目前国际上对热电材料与工程研究投入最多的国家。美国的研究主要侧重于军事、航天、理论和高科技方面日本的研究侧重于废热利用，同时相应地着力于耐高温的瓷温差电材料的研究在大尺寸的围，热电发电装置已经取得实际的应用。国研究现状：热电现象本身是可逆的, 温差发电和半导体致冷是热电现象的两个方面, 互相可逆。可同一个PN 结, 若施加温差则可用来发电,若对其通电, 则可用于在一端致冷。国对半导体致冷现象和应用研究具有一定水平, 目前已有商品器件和设备出售, 但对温差发电,则几乎是一片空白. 这主要是因为我国在军事高技术研究能力方面相对落后, 未

能刺激起足够的需求. 随着国际学术交流的广泛开展,国不少学者到国外接触了相关技术, 相信我国在这一领域相对落后的面貌将逐渐改观.

第2章余热发电系统的原理与理论设计2.1余热发电系统的原理

2.1.1 余热发电器的原理

余热发电器主要是利用热电材料的热电效应产生电流而工作的。热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，它包括塞贝克(Seebeck)效应，帕尔帖(Peltier)效应和汤姆逊(Thomson)效应。这三个效应通过开尔文(Kelvin)关系式联系在一起。这三个效应奠定了热力学热电理论发展的基础。热电效应还伴随产生了其它效应：焦耳热效应和傅立叶效应。下面分别介绍热电发电器的基本理论。

图 2－1 热电转换工作原理

2.1.2 塞贝克效应

1821 年法国物理学家T.J.Seebeck 在考察 Bi-Cu 与Bi-Te 回路的电磁效应时发现了热电流、他的实验表明，当由两种不同导体材科构成的闭合回路的两个节点温度不同时，回路中有热电流产生，这就是Seebeck 效应如图所示