一种基于温差发电的液氢汽车冷量回收系统

1.本实用新型涉及节能减排技术领域，具体涉及一种基于温差发电的液氢汽车冷量回收系统。


背景技术：

2.根据国家能源局发布的《关于做好可再生能源发展十四五规划工作有关事项的通知》，氢能已被列入可再生能源发展十四五规划重点任务。氢具有车用燃料必须具备的储量丰富、能量密度高、可储存、可携带等突出优点。氢的单位燃烧热值是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。氢可以通过电解水取得，而地球70％的面积被水所覆盖。从这个意义上讲，水资源是不会耗竭的再生性资源,因而氢也可以看作不会耗竭的再生性资源。
3.随着汽车保有量的增长，汽车能耗在社会总能耗中所占比例越来越高，仅汽车排气带走的热量就占发动机输出能量的40％。氢能汽车作为节能减排的主要替代车型之一，液氢汽化至常温常压的过程中会释放出大量的冷能。若能对上述汽车排气的热能和液氢的冷能加以回收利用，将在很大程度上提高车辆的燃料经济性，获得可观的经济和社会效益。
4.温差发电是一种合理利用低品位能源并将其转换成电能的有效方式，温差发电器具有结构简单、坚固耐用、无运动部件、无噪声、使用寿命长等优点。利用汽车废热进行温差发电的系统成为各大企业、高校及其研究机构的关注热点，该装置可以将汽车排放的尾气中的废热转换为电能，有效地解决了内燃机对燃料燃烧能量的利用率低的问题，从另一个角度可以视为提高了汽车的燃料利用率，而且进气温度的升高可以减少部分有害排气的排放量，具有很好的应用前景和重要的社会价值。但目前利用汽车尾气废热的温差发电系统存在的输出功率小、转换效率低等缺点。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种基于温差发电的液氢汽车冷量回收系统。其稳定性较高、发电效率较高、蓄热效果较好、能量利用率较大。
6.本实用新型提供了一种基于温差发电的液氢汽车冷量回收系统，包括液氢燃烧系统，其包括液氢储存罐、低温泵和内燃机，所述内燃机通过低温泵与液氢储存罐连接；
7.第一温差发电系统，冷端与液氢储存罐连通，热端与的排热废气连通；
8.第二温差发电系统，所述第二温差发电系统冷端与冷却空气连通，热端与经第一温差发电系统排出的排热废气连通。
9.较佳地，液氢储存罐和低温泵之间还设有阀门。
10.较佳地，经所述第二温差发电系统排出的废气还连接有尾气催化转化器。
11.较佳地，第一温差发电系统和第二温差发电系统还均通过dc/dc稳压转换器与蓄电池及车用电器电连接。
12.较佳地，第一温差发电系统和第二温差发电系统均通过dc/dc稳压转换器与蓄电池及车用电器电连接。
13.还包括冷空气循环冷却系统，所述冷空气循环冷却系统包括依次连接的冷却风扇、压缩机和换热器，自第二温差发电系统冷端排出的冷却空气通过循环管路依次通过所述冷却风扇、压缩机和换热器再冷却后再次进入第二温差发电系统。
14.第一温差发电系统和第二温差发电系统均包括冷端、热端和设于两者之间的温差发电组。
15.还包括控制系统，所述控制系统包括电压监测单元、温度控制单元和蓄电池管理单元；
16.所述电压监测单元与第一温差发电系统和第二温差发电系统电连接，用于监测温差发电系统产生的电压；
17.所述温度控制单元与冷却风扇和压缩机电连接，用于监测冷却风扇和压缩机的温度；
18.所述蓄电池管理单元与蓄电池信号连接，用于监测蓄电池的状态。
19.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型利用液氢极高的冷能与排出尾气的热能进行温差发电，发电后的电能存储在蓄电池中，为汽车的车体用电供能。
20.液氢在换热器中被气化成氢气，后进入内燃机燃烧为汽车提供动力。氢气是一种热值大的清洁能源，氢气的燃烧为汽车运行提供能量，同时又利用液氢的冷能进行发电，最终燃烧排放出的尾气污染物只有氮氧化物，较好地实现了节能减排的目的。
附图说明
21.图1为本实用新型的结构示意图；
22.图2为本实用新型第一温差发电系统和第二温差发电系统的结构示意图。
23.附图标记说明：
24.1.液氢储存罐，2.低温泵，3.内燃机，4.第一温差发电系统，5.第二温差发电系统，6.阀门，7.尾气催化转化器，8.dc/dc稳压转换器，9.蓄电池，10.车用电器，11.冷却风扇，12.压缩机，13.换热器，14.电压监测单元，15.温度控制单元，16.蓄电池管理单元，17.冷端，18.温差发电组，19.热端，20.控制系统。
具体实施方式
25.下面结合附图1-2，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.本实用新型提供的一种基于温差发电的液氢汽车冷量回收系统，包括液氢燃烧系统，包括液氢储存罐1、低温泵2和内燃机3，所述内燃机3通过低温泵2与液氢储存罐1连接；
27.第一温差发电系统4，冷端与液氢储存罐1连通，热端与的排热废气连通；
28.第二温差发电系统5，所述第二温差发电系统5冷端与冷却空气连通，热端与经第一温差发电系统4排出的排热废气连通。
29.第一温差发电系统4和第二温差发电系统5利用液氢极高的冷能与排出尾气的热能进行温差发电。本实施例中通过两级发热实现对热废气热能的充分利用。
30.优选地，液氢储存罐1和低温泵2之间还设有阀门6。
31.优选地，经所述第二温差发电系统5排出的废气还连接有尾气催化转化器7。目的在于使排出的尾气符合排放标准。
32.优选地，第一温差发电系统4和第二温差发电系统5均与蓄电池9及车用电器10电连接。在实现利用余热利用的基础上，将获得的电能用于车用电器的耗能，多余的电能存储在蓄电池9内备用。
33.优选地，第一温差发电系统4和第二温差发电系统5均通过dc/dc稳压转换器8与蓄电池9及车用电器10电连接。
34.dc/dc稳压转换器是一种将不稳定输入电压转化为有效恒定输出电压的稳压转换器，dc/dc稳压转换器分为升压型、降压型及升降压型。而dc/dc稳压转换器选取原则是：选择合适类型的dc/dc稳压转换器以满足不稳定输出电压与不同类型的汽车蓄电池组充电电压之间的匹配关系。
35.优选地，还包括冷空气循环冷却系统，所述冷空气循环冷却系统包括依次连接的冷却风扇11、压缩机12和换热器13，自第二温差发电系统5冷端排出的冷却空气通过循环管路依次通过所述冷却风扇11、压缩机12和换热器13后再次进入第二温差发电系统5。不断循环的冷空气能够对第二温差发电系统5热端的热废气进行循环热交换，实现热能的充分利用。
36.优选地，第一温差发电系统4和第二温差发电系统5均包括冷端17、热端19和设于两者之间的温差发电组18。本实施例的第一温差发电系统4和第二温差发电系统5均采用现有的温差发电系统。
37.优选地，还包括控制系统，所述控制系统包括电压监测单元14、温度控制单元15和蓄电池管理单元16；
38.所述电压监测单元14与第一温差发电系统4和第二温差发电系统5电连接，用于监测温差发电系统产生的电压；
39.所述温度控制单元15与冷却风扇11和压缩机12电连接，用于监测冷却风扇11和压缩机12的温度；
40.所述蓄电池管理单元16与蓄电池信号连接，用于监测蓄电池9的状态。
41.控制系统是整个系统的中枢，主要包括电压监测单元14，对温差发电系统产生的电压进行监测监控；温差控制单元15，主要负责对冷却风扇和循环压缩机的功率调节，以实现对温差发电模块过热保护的作用；蓄电池管理单元16，主要负责对蓄电池状态的监测管理。除此之外，控制系统还对车用负载和dc/dc稳压转换器进行管理及控制。
42.第一温差发电系统4的冷端为液氢，热端为排热废气。第二温差发电系统5的冷端为冷却空气，热端为来自第一温差发电系统4排热废气。在温差发电系统中，两端分别流过冷热流体，中间部分安装温差发电组，利用温差进行发电，为车用电器供电，富余电能存储在蓄电池中。
43.温差发电组采用多种材料级联及沿换热器流程变级数的优化方式，可使其在大温差下达最高的热电效率，在非最大温差之间也能进行冷能回收并产生电能。
44.大量的热力分析计算结果表明，上述技术方案中，每消耗5l液氢可以回收超过300w的能量，温差发电系统的热效率分别达20％和3.8％，大于一般的余热回收温差发电
器。
45.本实施例的具体操作如下：
46.打开阀门6后，液氢从液氢储存罐1中发出，通过低温泵2发送到第一温差发电系统4时被排气加热汽化，随后氢气进入内燃机3中燃烧生成排热废气，排热废气经过第一温差发电系统4被液氢冷却，再经过第二温差发电系统5被冷却空气进一步冷却，最后经过尾气催化转换器7将氢气燃烧可能产生的唯一污染物氮氧化物转化后排入大气。同时流出换热器13的冷却空气经过第二温差发电系统5被排气升温，随后经过冷却风扇11进行降温，降温后的冷却空气再通过压缩机12输送到第二温差发电系统5，对流经第二温差发电系统的尾气进行冷却，不断往复循环冷却。第一温差发电装系统4的冷端为液氢，热端为排热废气；第二温差发电系统5的冷端为冷却空气，热端为排热废气。在这两个温差发电系统中，两端分别流过冷热流体，中间部分安装温差发电组，利用温差进行发电，电能经过dc/dc稳压转换器8将不稳定输入电压转化为有效恒定输出电压为车用负载10供电，富余的电能存储在蓄电池9中。
47.具体的温差发电系统的内部结构如图2所示，每个温差发电系统由冷端19、温差发电组20以及热端21组成。其中温差发电组20采用多种材料级联的方式，使温差发电系统在大温差下达最高的热电效率，节省大量的电能资源。
48.综上所述，本实用新型设计合理，现有设计都是采用在最大温差之间建立温差电池并获得较高电量，而本实用新型利用液氢极高的冷能与排出尾气的热能进行温差发电，温差发电组采用多种材料级联及沿换热器流程变级数的优化方式，可使其在大温差下达最高的热电效率，在非最大温差之间也能进行冷能回收并产生电能。通过氢气在内燃机燃烧为汽车提供动力，最终燃烧排放出的尾气污染物只有氮氧化物，较好地实现了节能减排的目的。并且冷却循环部分采用风冷方式，无需借助于发动机冷却系统，对发动机无影响，从而减轻了发动机的负载，有利于燃料经济性的提高，整体操作费用低，节约用水。大量的热力分析计算结果表明，上述技术方案中，每消耗5l液氢可以回收超过300w的能量，温差发电系统的热效率分别达20％和3.8％，大于一般的余热回收温差发电器，具有显著的经济效益、社会效益和应用前景。
49.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。