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    汽車尾氣熱電發(fā)電模塊拓?fù)鋬?yōu)化及實(shí)驗(yàn)測試

    2019-02-28 01:40:50楊廣焦亞田湯澤波鄧堅(jiān)
    科學(xué)與財富 2019年2期

    楊廣 焦亞田 湯澤波 鄧堅(jiān)

    摘 要: 汽車尾氣熱電發(fā)電技術(shù)對降低整車油耗具有重要意義,而熱電模塊之間的串并聯(lián)拓?fù)溥B接方式是影響系統(tǒng)電性能表現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一。本文以熱電模塊組整體輸出功率峰值最大為優(yōu)化目標(biāo),采用局部逐級優(yōu)化算法完成熱電模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化。搭建車載尾氣熱電發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺架,對比分析在優(yōu)化結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)的整體輸出功率P'max與全串聯(lián)結(jié)構(gòu)時的Pmax,發(fā)現(xiàn)在本文所提出的熱電模塊拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)下,熱電發(fā)電系統(tǒng)的整體最大輸出功率能夠提高將近9.4%。

    關(guān)鍵詞: 熱電發(fā)電;串并聯(lián)拓?fù)?;局部逐級?yōu)化;最大輸出功率

    1 前言

    當(dāng)今世界,全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)及環(huán)境污染是人類社會不得不面對的兩大難關(guān)。傳統(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)的燃料有將近40%的能量以廢熱的形式經(jīng)由汽車尾氣排出[1-2]。熱電發(fā)電技術(shù)能夠?qū)⒃瓉砼欧诺酱髿庵械膹U熱進(jìn)行回收利用,既提高了現(xiàn)有能源利用率又能夠減少尾氣污染[3]。

    目前典型的汽車尾氣熱電發(fā)電系統(tǒng)的組成部分包括熱端氣箱(即熱交換器)、熱電模塊、冷卻單元、調(diào)制裝置及機(jī)械連接設(shè)備等[4],而汽車尾氣熱電發(fā)電的效率主要受排氣管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)、熱電模塊本身特性及熱電模塊之間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響[5-6]。

    目前,在汽車尾氣熱電發(fā)電技術(shù)中,對于熱電模塊串并聯(lián)拓?fù)鋬?yōu)化的研究,國外的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)取得了一些突出的成果[7],然而國內(nèi)的相關(guān)研究才是剛剛起步[8]。通過調(diào)整各熱電發(fā)電模塊的連接組合方式,可以有效提高熱電發(fā)電系統(tǒng)的工作效率[9-10]。

    2 汽車尾氣熱電發(fā)電系統(tǒng)的組成

    熱電發(fā)電系統(tǒng)主要包括發(fā)動機(jī)、熱端氣箱、熱電模塊、冷卻系統(tǒng)以及電壓巡檢單元等。

    為了便于分析,將熱電模塊分為上下兩組。對熱電模塊組1進(jìn)行的編號如圖1所示,熱電模塊組2的編號規(guī)則和熱電模塊組1相同,編號范圍為154~306。

    3 熱電模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究

    3.1 全串聯(lián)與并聯(lián)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

    若將所有的熱電模塊都串聯(lián)起來,內(nèi)阻較大的熱電模塊在同樣的負(fù)載下的輸出電壓可能會極小,甚至?xí)霈F(xiàn)輸出負(fù)壓的情況,降低系統(tǒng)的整體發(fā)電性能;若將所有的熱電模塊并聯(lián)起來,不同開路電壓等級的熱電模塊之間可能會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的環(huán)流現(xiàn)象而造成熱電電堆能量損耗。

    3.2局部逐級優(yōu)化算法

    局部逐級優(yōu)化的算法以同一行69~85號熱電模塊為例,采取局部逐級優(yōu)化的方式對其進(jìn)行串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化,其具體步驟為:①將69~85號熱電模塊全部串聯(lián)起來,求得此時熱電模塊組的最大輸出功率P0;②從69到85號熱電模塊中選取兩個開路電壓及內(nèi)阻均較為接近且最大輸出功率點(diǎn)處的電流較小的熱電模塊進(jìn)行并聯(lián)以后,求得此時熱電模塊組的最大輸出功率P1;③將第2步中并聯(lián)的兩個熱電模塊等效成為一個熱電模塊,并與剩下的熱電模塊組成新的熱電模塊組,然后重復(fù)第2步;④對比每次并聯(lián)后得到的最大輸出功率,尋找其中的最大值,從而確定最終的串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

    4 熱電發(fā)電實(shí)驗(yàn)臺架建立與拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)驗(yàn)測試

    4.1熱電發(fā)電實(shí)驗(yàn)臺架建立

    搭建的熱電發(fā)電裝置實(shí)物包括熱電模塊、熱電氣箱以及冷卻水系統(tǒng)等。搭建的熱電發(fā)電系統(tǒng)綜合測試臺架包括發(fā)動機(jī)、汽車尾氣熱電發(fā)電單片電壓實(shí)時巡檢系統(tǒng)、電渦流測功機(jī)、油耗儀、實(shí)驗(yàn)臺架總控制臺等,主要負(fù)責(zé)發(fā)動機(jī)的工況控制及對熱電發(fā)電裝置發(fā)電情況的在線檢測。

    4.2模塊組串并聯(lián)拓?fù)溥B接結(jié)構(gòu)測試

    4.2.1熱電模塊電特性測試

    測試環(huán)境:室溫15℃,濕度46%;發(fā)動機(jī)參數(shù):轉(zhuǎn)速3300r/min,輸出功率29.5kW;氣箱溫度:熱端最高溫度可達(dá)237℃。

    在設(shè)定工況下,測試得到熱電模塊組1中部分熱電模塊的開路電壓。通過對各個熱電模塊輸出特性的分析,可以得知同一列(如1、18、35、52、69、86、103、120、137號)熱電模塊的電性能差異較?。欢恍校ㄈ?~17號)的熱電模塊之間電性能的差異較大。

    4.2.2電特性不同時的結(jié)構(gòu)測試

    選取69~85號熱電模塊為研究對象,研究同一行(即電特性不一致)的熱電模塊組的串并聯(lián)特性。69~85號熱電模塊在獨(dú)立發(fā)電時的最大輸出功率W(調(diào)制電流A):1.18(0.8)、1.23(0.65)、1.47(0.75)、2.19(0.8)、2.94(0.95)、3.63(1.1)、2.03(0.8)、1.87(0.8)、1.8(0.8)、1.6(0.75)、1.4(0.75)、1.1(0.65)、0.9(0.6)、0.9(0.6)、0.8(0.55)、0.6(0.5)、0.5(0.5),理論上的最大輸出功率為熱電模塊獨(dú)立發(fā)電時最大發(fā)電功率總和,為27.15W。

    將69~85號熱電模塊全部串聯(lián)起來,最大輸出功率24.1W。與理論值相比,輸出功率損耗約為11.2%。

    將69~85號熱電模塊并聯(lián)起來,最大輸出功率為22.58W,與理論值相比,損耗約為16.8%。

    采用局部逐級優(yōu)化算法,對69~85號熱電模塊按照算法模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,在進(jìn)行了第五次迭代后得到69~85號熱電模塊組最大輸出功率的峰值25.16W,相比串聯(lián)結(jié)構(gòu)提升了將近4.48%的能量利用率。

    4.2.3串并聯(lián)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)與測試

    將電特性基本呈一致狀態(tài)的熱電模塊進(jìn)行串聯(lián)或者并聯(lián)以后,得到的最大輸出功率基本相同。在并聯(lián)結(jié)構(gòu)中,電路的工作電流達(dá)到串聯(lián)結(jié)構(gòu)下的9倍左右,采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)更加有利于系統(tǒng)的有效輸出。

    經(jīng)過對熱電模塊之間拓?fù)潆娐返男阅苡懻摷皩?shí)驗(yàn)對比,得到了熱電模塊組1優(yōu)化后的具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

    針對圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)定一下三種工況分別測量系統(tǒng)的整體最大輸出功率。

    工況1:2900r/min@73Nm(發(fā)動機(jī));工況2:3200r/min@85Nm(發(fā)動機(jī));工況3:3300r/min@91Nm(發(fā)動機(jī))

    將熱電模塊組共306個熱電模塊全部串聯(lián)起來,測得熱電模塊組的整體輸出功率峰值Pmax;將熱電模塊按圖2所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接起來,測得熱電模塊組的整體輸出功率峰值P'max。 結(jié)果如下:

    工況1:氣箱溫度198℃;Pmax=189.86W;P'max=205.29W;提升8.13%。

    工況2:氣箱溫度221℃;Pmax=282.43W;P'max=307.48W;提升8.87%。

    工況3:氣箱溫度235℃;Pmax=402.5W;P'max=440.33W;提升9.4%。

    測試結(jié)果表明:在所設(shè)定的三種工況下,熱電發(fā)電系統(tǒng)的整體最大輸出功率值均有一定程度的提高,尤其是在工況3時,系統(tǒng)整體輸出功率峰值提高了大約9.4%。

    5 結(jié)束語

    本文提出了一種基于局部逐級優(yōu)化算法的熱電發(fā)電模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對比分析全串聯(lián)和拓?fù)鋬?yōu)化后的系統(tǒng)整體發(fā)電功率,發(fā)現(xiàn)在本文所提出的熱電模塊拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)下,熱電發(fā)電裝置的整體輸出功率最大能夠提高大約9.4%,且該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有一定的普遍適用性,在一般工況下均能夠提高熱電發(fā)電裝置的整體發(fā)電功率,即本文所提出的熱電模塊拓?fù)浞桨缚尚小?/p>

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