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制冷单元对汽车尾气热电发电机性能的影响
摘要：目前，基于汽车尾气的热电发电器（AETEG）是能源回收领域的热门话题。本研究构建了热电发电器（TEG）模型和相关试验台，以此研究AETEG中冷却剂流量、冷却剂流动方向及冷却装置布置的影响。本研究采用水冷系统。由于热源表面温度的不均匀性，冷却剂的流动方向会影响TEG的输出性能。改变冷却剂的体积流量可以增加串联、并联和混联的多模块的输出功率，因为它可以提高冷却单元的温度均匀性。由于冷却单元的温度均匀性对输出功率有很大影响，因此两个冷却单元通过串联或并联以研究冷却单元布置对TEG最大输出功率的影响。实验和理论分析都表明，在具有两个冷却单元的冷却系统中，冷却单元并联连接的系统净输出功率通常高于冷却单元串联连接的净输出功率。
引言
由于全球能源短缺和气候变化，基于汽车废热的温差发电器的发展步伐加快。现今发动机由废气余热损失的能量占到燃料能量的约40％。这种巨大的能量损失可作为汽车废热热电回收的潜在目标。作为一种环保型热量回收系统，TEG可以将废热直接转化为电能，具有零排放，无噪音，无机械振动的优点。这些优点，使得研究车用热电技术的应用是很有意义的。
通常，TEG系统由热源（排气热交换器），热电模块（TEMs）和冷源（冷却单元）组成。TEM的热端与热源接触，TEM的冷端与散热片接触。因此，TEM的热端和冷端产生温差。根据中塞贝克效应的基本公式:
(1)
其中N是TEMs的数量，alpha;PN是相对塞贝克系数，即。alpha;P和alpha;N之间的差异，取决于热电材料的特性，Th和Tc是TEM的热端和冷端的温度。基于上述原理，可以注意到，TEM的开路电压主要取决于热源和冷源之间的温差。增加热端温度和降低冷端温度都可以提高TEM的输出性能。因此，除了TEG换热器的研究和优化之外，还需要对TEG中的冷却单元进行研究。
Kumar分析了不同TEG拓扑结构的性能，包括纵向，横向和圆形结构，发现单个模块长度的横向TEG是所有已有研究中性能最为理想的。刘和邓构建了不同的热交换器，包括迷宫形，鱼骨形和混沌形热交换器，以分析它们在TEG中的热性能。 结果表明，混乱型热交换器可以获得更好的界面热均匀性。 通过考虑热均匀性和背压，Wang使用替代模型和多岛遗传算法来优化热交换器内部的结构参数。其次，为了增强热传递，Wang设计了一种新型的具有不光滑凹窝内表面的热交换器。
对于TEG的冷却装置，Rezania在TEG的微通道散热器中研究了冷却剂泵送功率，发现在每个温度差区间中都有一个特定的流量使得TEG具有最大的净输出功率。为了改善冷却装置在TEG中的冷却性能，Qiang等人使用基于实现的微遗传算法（AMGA）优化冷端和其内表面上的翅片分布。Deng等人提出了一种插入了TEG冷却器的发动机冷却系统（在此称为“集成冷却系统”）。这种结构可以避免车辆上安装TEG时空间不足等问题。比较不同冷却系统类型的工作性能，Du等人发现使用水冷的TEG比空冷具有更好的性能。Chen等人研究了水流量对TEG性能的影响，发现对低温余热回收时影响并不显著。
在之前关于制冷单元的研究中，我们主要关注制冷单元的设计。构造了三种不同的冷却单元结构，包括板形，条形和菱形冷却单元，以分析其冷却性能。结果表明，条形和菱形冷 却单元实现了更好的冷却性能。由于安装菱形冷却单元比较复杂，本研究使用条形冷却单元。但是，详细的冷却剂效果和冷却单元布置效应在很大程度上被忽略，这也会对TEG输出性能产生重大影响。为此本研究开发了一个测试台来分析冷却装置对TEG输出性能的影响，尤其是开路电压和最大输出功率。同时本研究考虑了冷却剂压力损失引起的功率损失。提出了使用净输出功率（最大输出功率减去功率损耗）来评估TEG的性能。在试验台的基础上，详细比较了不同的冷却条件以及冷却装置布置的影响。众所周知，对于汽车尾气热电发电器，模块温差的均匀性对电力生成具有很强的影响。根据方程式中塞贝克效应的基本公式如式1所示，对于单个TEM，开路电压很大程度上取决于TEM的冷端和热端之间的温差。因此，温差的均匀性导致了每个模块的输出性能的均匀性。每个TEM的开路电压越均匀，系统的输出功率就越高。
理论背景
冷却剂流动吸收热量，导致温度升高。冷却剂流量的能量平衡式为：
(2)
其中m是流体质量流率，cp是定压比热容，Tout和Tin分别是流体的出口温度和入口温度。
根据以前的研究，采用最大输出功率原则。该原理表明，通过调整电子负载电阻，当电子负载电阻等于模块的内阻时，输出功率将达到最大值。输出功率可以描述为：
(3)
最大输出功率可以得到如下：
(4)
其中Uo是模块开路电压，RL是电气负载电阻，Rin是模块的内部电阻。
冷却单元中的冷却剂流量由泵循环，由压降引起的泵功率可按下式计算：
(5)
其中V是体积流量，Delta;P是压降，Po和Pi分别是出口和入口压力。
净输出功率Pn是最大输出功率Pm减去泵功率。我们可以将净输出功率定义如下：
(6)
实验设置
TEM试验台架构
如图1所示，构建了多TEM测试台以测量TEM的性能。冷却剂流量对热源表面温度的影响不明显（1℃以内），在本研究中忽略其影响。因此，本研究假设组件热端的热效应处于稳定状态。用两个电热板代替汽车中的热交换器作为热源。本研究中使用的TEM（由中国科学院上海硅酸盐研究所提供）由126对串联的p型和n型Bi2Te3半导体颗粒组成。表1列出了本研究中使用的p-n材料的几何特征和输运性质。
模块夹在用于维持模块的热端和冷端之间的温差的电热板和冷却单元之间。模块的热端由电加热板加热，并且有两个电加热板，可以提供不同的热端温度并模拟不均匀的热状态。模块的冷端由冷却单元冷却，冷却剂使用变频泵循环并由散热器冷却。散热器和电热板由可编程恒温器控制。变频泵可以连续地调节体积流量，并通过流量计进行测量和显示。由于模块、电加热板和冷却单元的表面不完全平滑，因此使用夹紧装置（包括螺栓和扭矩扳手）来提供夹紧力，以使模块与热/冷端之间实现良好接触，从而获得高的且稳定的温差。
为了测量冷却剂的温度变化，在每个冷却装置的入口和出口使用K型热电偶。每个冷却装置的入口和出口都安装了水表，以测量每个冷却装置的压降。通过安装在冷却剂循环通道中的流量计，可以测量冷却剂的体积流量。另外，电子负载连接到模块上以测量其输出性能。所有测量数据都由Agilent 34972A数据采集单元记录。
图1.TEMs试验台
表Ⅰ.p-n材料特性
模块拓扑
为了提高模块输出性能的一致性，需要将相同热条件下同类型的模块并联连接，然后与其他热条件下的模块串联连接。为了描述模块的拓扑，使用二维坐标（行，列）标记它们。同一列中的模块与同一个电加热板接触，即模块1-1,1-2被加热板1加热，模块2-1,2-2被加热板2加热;同一行中的模块连接相同的冷却单元，即，模块1-1,2-1由冷却单元1冷却，模块1-2,2-2由冷却单元2冷却，并且TEM的拓扑结构如图2所示。
本研究中模块的开路电压和内部电阻如下：
(7)
(8)
其中Ucol_1和Ucol_2是第1列和第2列中TEM的开路电压，Rcol_1和Rcol_2分别是第1列和第2列中TEM的内部电阻。根据最大输出功率的原理，当电子负载电阻等于模块的内阻时，输出功率将达到其最大值：
(9)
图2.热电发电模块拓扑结构图
不确定性分析
在实验之前，对测试系统进行了错误分析。表2列出了实验中温度、电压、电流和液压的数据，其中加热温度，冷却剂流率和冷却器入口温度分别设定为250℃，0.36 m3 / h和60℃。 本研究的数据是达到热稳定状态后记录得到的。在一组数据中，平均值()和样本标准差(S)由下式定义：
(10)
(11)
如表2所示，不确定度（=样本标准差/平均值times;100％）低于1.5％。 此外，最大输出功率可以通过U和I的乘积来获得。因此最大功率的不确定度估计如下：
(12)
由于所有测量和报告的变量的不确定性都低于2％，因此在当前的研究中可以认为这些实验是可靠的。
表Ⅱ.不确定性分析
实验结果及分析
在以下小节中，进行了三组不同的实验来研究冷却剂流率，冷却剂流动方向和冷却装置布置对TEG输出性能的影响。
流率的影响
汽车发动机冷却系统中的冷却液从散热器排出时的温度约为60℃至90℃。对于基线条件，冷却单元入口处的冷却液温度设置为60℃，以充分利用TEM性能。电热板的温度设定为250℃，接近AETEG排气热交换器的典型温度，冷却液的稳定流率设定为0.54 m3/ h。为了研究流率对TEG输出性能的影响，在冷却通道中采用另外四种不同的流量(0.18 m3/h, 0.36 m3/h, 0.72 m3/h, and 0.9 m3/h)。此外，冷却装置并联连接，本实验中施加的夹紧压力为2.50 kg / cm2。
表3揭示了不同体积流率下的压降和功率损失。图3比较了不同流率下的最大输出功率，泵功率，净输出功率和开路电压。最大输出功率根据公式9计算。功率损耗是由压降造成的，所以净输出功率可以更好地评估TEG的性能。
根据图3a和b，当冷却剂流量达到0.9 m3 / h时，最大输出功率斜率几乎为零，而随着冷却剂流率上升，泵功率斜率仍然在增加。因此，当流率达到相对较高的值时，其对TEG的最大输出功率的影响是微不足道的。根据实测数据，当冷却剂体积流率为0.54 m3/ h时，TEG的净输出功率达到最大值。如图3a所示，与流量为0.54 m3/ h时的净输出功率相比，另外四种流率0.18 m3/ h，036 m3/ h，0.72 m3/ h和0.9 m3/ h时的净输出功率分别下降4.81％，2.47％，2.51％和9.14％。同时，注意到当流率达到0.72 m3/ h时，图3c中的曲线几乎变为水平，这意味着开路电压将在中等冷却剂流率时达到峰值。这个结果表明，中等的冷却剂流率对TEM的冷却是足够的，并且过高的冷却剂流量会产生过大的功率损失从而对TEG的整体效率是造成负面影响。
表Ⅲ.不同冷却液流率下的压降和功率损失
图3. 不同流率下的最大输出功率，泵功率，净输出功率和开路电压
（Tc=60℃，Th=250℃）
冷却液流动方向的影响
在AETEGs中，TEM的热端是排气热交换器，而热交换器的温度场是不均匀的。根据之前有关热交换器的研究，从热交换器的入口到出口，表面温度通常在下降。由于TEM热端的温度差异，冷却液的流动方向会影响TEG的输出性能。
在这项研究中，两个电加热板被设置为不同的温度以模拟不均匀的热端温度场。在第一个实验中，测试了两种情况。在第一种情况中，电热板1的温度设定为200℃，电热板2的温度设定为200℃，220℃，240℃，260℃和280℃。在情况二中，两个加热板的温度设置相反。在这两种情况下，根据上述流量实验的结果，流量设定为0.54 m3/ h。冷却装置的入口温度设定为60℃。另外，模块拓扑结构、冷却单元布置和夹紧力与前面提到的相同。因为冷却剂的流动方向是从电加热板1到电加热板2，所以使用情况1来模拟AETEG中的逆流布置，情况二用于模拟共流布置。
然后，进行另一项实验，以比较不同冷却剂流率下的逆流布置与共流布置。两种流向情况之间也进行比较。在情况三中，电热板1的温度设定为200℃，电热板2的温度设定为280℃。在情况四中，两个加热板的温度设置和之前相反。数据以冷却通道中的5种流率（0.18 m3/ h，0.36 m3/ h，0.54 m3/ h，0.72 m3/ h，0.9 m3/ h）的热稳态记录。模块拓扑结构，冷却单元布置和夹紧力与前面提到的相同。此外，情况三用于模拟逆流布置，情况四用于模拟共流布置。
如图4所示最大输出功率和开路电压，可知情况一中的布置可以获得比情况二更高的T
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