利用汽车尾气余热发电装置.doc

2005 年第10 期　　　　　　　　　　　　　信息技术
　　中图分类号:TM910. 3 　　文献标识码:B 　　文章编号:1009 - 2552 (2005) 10 - 0107 - 02
汽车尾气余热发电的原理与实现
赵　刚1 , 李富　2 , 朱建良1
(1. 哈尔滨理工大学电气与电子工程学院, 哈尔滨150040 ;
2. 哈尔滨市市郊农电局, 哈尔滨150076)
摘　要: 利用斯特林循环原理, 设计了一种汽车尾气余热发电装置, 不仅可以有效的利用废热,
节省能源, 提高效率, 同时有利于减少热污染和环境保护。
关键词: 汽车尾气; 余热发电; 效率
Principle and implementation of power generation
using tail gas waste heat of car
ZHAO Gang1 , LI Fu2yu2 , ZHU Jian2liang1
( 1. Electrical & Electronic Engineering College , Harbin Univ. Sci. Tech. , Harbin 150040 , China ;
2. Harbin Agricultural Electricity Bureau of City Suburb, Harbin 150076 , China)
Abstract : There is much waste heat in the tail gas of the car. Using Stirling cycle theory , this paper designs
a waste heat power generation set . It can utilize the waste heat effectively , save the energy source , increase
the efficiency , also reduce the heat pollution , and protect the environment .
Key words : tail gas of car ; waste heat power generation ; efficiency
0 　引言
随着全球经济的高速发展,汽车越来越普及。
但是汽车燃油热量仅有三分之一成为有效能量(作
为动力) ,其余三分之二则是通过冷却水或排气方式
排入大气,如何将这些热量加以利用,是人们普遍关
注的问题。利用汽车尾气余热发电就是有效利用这
些热量的一个合理的途径。
1 　汽车余热发电的工作原理
汽车尾气余热发电是通过斯特林循环过程完成
的,其基本工作原理为:工质从高温热源(汽车废气)
吸收热量,膨胀做功,向低温热源放热并收缩,再次
从热源吸收热量,循环上述过程。在每次循环过程
中,工质吸收的热能转化为机械能,而工质做功过程
中通过活塞的往复运动带动直线发电机进一步将机
械能转化为电能。
2 　汽车余热发电的热机模型
在汽车尾气余热发电系统中,热机可以考虑多
种热力循环和工质。包括朗肯(Rankine) 循环、布兰
顿(Brayton) 循环和斯特林(Stirling) 循环。
根据热力学第二定律,热机的效率不可能大于
卡诺循环效率,即:
η = 1 -
T0
T
式中, T0 是低温热源温度, T 是高温热源温度。可
以看出, 较高的热源温度, 可以达到较高的热机
效率。
斯特林机的热电转换效率可达40 %。斯特林
机的高效率和外燃机特性使得它成为汽车尾气余热
发电系统的首选热机。因为斯特林循环与卡诺循环
一样,在理论上具有较高的热效率,所以有人提出
“21 世纪是斯特林热机的世纪”。
图1 所示即为汽车尾气余热发电系统中车载自
由活塞式斯特林发电机示意图。
3 　车载自由活塞式斯特林发动机的特点
斯特林发动机属于外燃式往复发动机。它与内
收稿日期: 2005 - 04 - 19
作者简介: 赵刚(1981 - ) ,男,哈尔滨理工大学电气与电子工程学院
硕士研究生。
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图1 　车载自由活塞式斯特林发电机
燃机的区别在于对封入内部的气体从外部进行加热
和冷却,从而推动活塞往复做功,由于这一区别,它
具有以下优点:
(1) 燃料多样化:由于是外燃机,可使用多种燃
料,从煤炭、薪柴、余热到太阳能等均可利用。
(2) 高效率:由于在加热器和冷却器中间设有蓄
热式换热器,从理论上可接近卡诺循环。
(3) 低污染:由于没有阀门,内部的压力变化平
稳,噪声和振动小;且由于连续燃烧易实现自动控
制,燃烧完全,排烟污染较小。
(4) 属于低速扭矩,扭矩变动特性较好。
斯特林发动机通过采用不同的活塞形式、汽缸
组数可组合成数十种发动机型式,广泛作为各种机
械的动力源。大的如潜艇、汽车发动机、叉式起重
机、压路机和农机用发动机,小的如移动机器人、驱
动热泵和心脏起搏器等。
4 　斯特林循环的过程分析
在汽车尾气余热发电系统中使用的斯特林机是
一种高温高压外燃机,使用氢或氦作为循环工质。
现代高性能斯特林机的气体工作温度超过700 ℃,
压力达到20MPa 。斯特林机的工质气体被交替地加
热和冷却,交替加热的气体达到相同的温度和体积。
斯特林机通常配置有一个高效换热器,用于回收气
体做功后的余热并预热待加热气体。图2 所示为斯
特林循环的四个基本过程。
1～2 定温压缩过程:配气活塞停留在上止点附
近,动力活塞从它的下止点向上压缩工质,工质流经
冷却器时将压缩产生的热量散掉,当动力活塞到达
它的上止点时,压缩过程结束。
2～3 定容回热过程:动力活塞仍停留在它的上
止点附近,配气活塞下行,迫使冷腔内的工质经回热
器流入配气活塞上方的热腔,低温工质流经回热器
图2 　斯特林循环过程
时吸收热量,使温度升高。
3～4 定温膨胀过程:配气活塞继续下行,工质
经加热器加热,在热腔中膨胀,推动动力活塞向下并
对外做功。
4～5 定容储热过程:动力活塞保持在下止点附
近,配气活塞上行,工质从热腔经回热器返回冷腔,
回热器吸收工质的热量,工质温度下降至冷腔温度。
综上所述,在一个完整的斯特林循环中,气体对
外所做的功为高温膨胀过程所做的功与低温压缩过
程所做的功的差。而这些功最终通过推动直线发电
机发电转化为电能。
5 　结束语
本文结合斯特林循环过程提出了一种汽车尾气
余热的合理利用方法,并利用斯特林热机模型制作
了一套车载汽车尾气余热发电装置。此装置具有如
下特点:
(1) 体积小、质量轻、汽车携带方便。
(2) 转换效率高,热电转换效率可达40 %。
(3) 无污染。斯特林循环过程是一个内可逆循
环,工质可以往复流动利用,不会泄漏。
(4) 此装置发出的电能不稳定,电流小、电压低,
不能直接利用,需要经过特殊电路设计才能利用。
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责任编辑:杨立民
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