列车轮对踏面热辐射温差发电机

摘要

一种列车轮对踏面热辐射温差发电机，包括热辐射受热板(8)、热端导热石墨片(2)、半导体温差发电器(3)、冷端导热石墨片(4)、对流散热器(5)、风道(6)、导流板(7)；所述的热辐射受热板(8)相向列车的轮对(1)的踏面布置，热端导热石墨片(2)紧贴半导体温差发电器(3)的热端，半导体温差发电器(3)的冷端紧贴导热石墨片(4)，对流散热器(5)紧贴冷端导热石墨片(4)，风道(6)罩在对流散热器(5)上；导流板(7)安装在风道(6)入口处。本发明利用列车车轮踏面热辐射实现温差发电。

权利要求

1.一种列车轮对踏面热辐射温差发电机，其特征在于，所述的温差发电机包括热辐射受热板(8)、热端导热石墨片(2)、半导体温差发电器(3)、冷端导热石墨片(4)、对流散热器(5)、风道(6)和导流板(7)；所述的热辐射受热板(8)相向列车的轮对(1)的踏面布置，热辐射受热板(8)通过热端导热石墨片(2)与半导体温差发电器(3)的热端紧贴；热端导热石墨片(2)紧贴半导体温差发电器(3)的热端，半导体温差发电器(3)的冷端紧贴冷端导热石墨片(4)，对流散热器(5)紧贴冷端导热石墨片(4)；风道(6)罩在对流散热器(5)上；

导流板(7)安装在风道(6)入口处。

2.按照权利要求1所述的列车轮对踏面热辐射温差发电机，其特征是：所述的热辐射受热板(8)的受热面为多凸棱矩形结构。

3.按照权利要求1所述的列车轮对踏面热辐射温差发电机，其特征是：所述的对流散热器(5)的对流面为肋凸结构。

说明书

列车轮对踏面热辐射温差发电机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种温差发电装置，特别是列车轮对踏面热辐射温差发电机。

背景技术

[0002] 《综合交通网中长期发展规划》和《中长期铁路网发展规划》的实施我国铁路实现了跨越发展，除客运列车外，我国目前拥有65万辆货运列车，到2015年将增加至75万辆，然而，在高速发展的过程一些落后环节凸显出发展中的瓶颈，列车的关键部件，制动技术已经成为万吨以上的重大编组货车的关键制约，现有的制动技术已经无法正常的在全路系统推广万吨级编组运行及提速。

[0003] 国外一些发达国家现有的货运列车制动技术是采用电控空气制动系统，通过电信号控制单节列车空气制动装置，使长、大编组重载列车组每一单节车辆同步制动，这种技术可以有效解决重载货运列车的纵向惯性冲撞，是发展重载大运量货运技术的前沿技术之一。这种技术在北美、澳洲等已经十分普遍采用称之为ECP(Electronically Controlled Pneumatic)。

[0004] ECP主要包括两种类型：一种是有线缆接方式简称ECP—L，通过贯通列车全长的电缆（称之为列车总线）传递制动信号及反馈制动信息。这种类型的技术仅适用货运专线运输，必须在列车固定编组条件下使用这种技术，因为线缆将列车已经固定连接，无法随机拆零重编组。

[0005] 另一种是无线同步控制方式简称ECP—C，利用编组车辆相邻间的专用配套的车载无线通信装置，通过无线接接口收和发送系统发送制动信息和反馈制动执行信息。这种技术也只适合用于货运专线运输，也需要列车固定编组，因为它采用的一对一相邻无线接口。

[0006] 第三种ECP技术称之ECP—R，是通过一种无线专用网络，将制动信号发送给编组各车辆并在网络中可实时监控制动信号的执行情况。

[0007] 第一种技术由于有线传送信号，其执行机构的供电也可以通过有线传输，第二种、第三种技术属于无线通信技术，由于货运车辆不具有电力装置，所以车辆的信号装置的供电就需要专门供电电路，显然，一旦布上供电线路，随机编组的意义就不复存在了，因此需要一种车辆自给电源系统这些信号装置才能工作。车辆的自给电源无非两种途径，一是每一节货运列车配置蓄电池，另一种是每一节货运列车配置发电机，无论是采用那种方式都必须选取重量轻、体积小、可靠性好、安全性好、节约能源和环保。

[0008] 实现列车自给电源有以下几种途径；

[0009] 1、利用列车高速运行时的相对气流驱动风力发电；

[0010] 2、利用列车高速运行时与路轨的相对运动驱动摩擦旋转励磁技术发电；

[0011] 3、利用列车高速运行时轮对踏面与轮轨摩擦形成踏面高温温差发电；

[0012] 研究表明，车轮表面上的一点,在车轮旋转一圈的过程中受到一次热冲击,而且车辆速度越高,热冲击的频率越高，车轮踏面被不同接触点轮流输人摩擦热量就越多。

[0013] 4、利用列车高速运行时的相对气流作用于冷却的能量转换技术。

[0014] 虽然摩擦热热冲击后轮对迅速离开轨道与环境空气的“冷却”效应存在，但是，散热的速度显然比再加热要慢,而且车辆速度越高,受到前一次摩擦热的热量蓄积就越大,“冷却”越加困难。持续温升的叠加后,轮对踏面的温度升高至一定的温度值，最后需要满足轮对踏面与对环境空气对流散热达到平衡，持续温升的叠加效应与环境空气的对流“冷却”效应会维持一个稳态。

[0015] 二维稳态分析表明,在350km/h的车辆速度和10%的滑滚比情况下,车轮表面最高温度可达到800℃，研究结果表明,列车在牵引/制动，这样的滑动分量很大的情况下,轮轨接触温升会达到一个可观的数值；在正常运转时,随着车辆速度的提高,其绝对滑动速度也大大提高[裴有福，等.轮轨接触温升的有限元分析[J].中国铁道科学,1996,17（4）:48-58]。

[0016] 不同制动工况下，机车车轮踏面的最高温度分析研究表明：20吨至22.5吨，速度130～160Km/h，列车车轮踏面温度332.5～480℃[虞丽娟.机车车轮瞬态温度场的有限元研究[J]．铁道学报，1993,15（3）:11-16]。

[0017] 孙琼研究表明，列车高速(250km/h)和高蠕滑率(10%)的情况下,最高接触温度高达1102℃和1030℃[孙琼,等.轮轨接触温升及其数值分析研究[J].中国铁道科学,1997,18（4）:14-24]。

[0018] 上述研究表明，选择利用列车高速运行时轮对踏面与轮轨摩擦形成踏面高温温差发电，无需增加列车任何载荷，属于纯粹废热利用。

[0019] 温差发电技术利用热电转换材料直接将热能转化为电能，是一种全固态能量转换方式，无需化学反应或流体介质，因此发电过程具有无噪声，无磨损，无泄漏，体积小，重量轻，移动方便，使用寿命长等特点，已经在军事，航天，微电子等一些特殊领域得到了广泛的应用。

[0020] 温差发电原理，是基于热电材料具有的3个基本效应，即Peltier效应，Seebeck效应，Thomson效应，这3个效应奠定了热力学中热点理论的基础，温差发电是利用材料的Seebeck效应，通过载流子（电穴和空穴）进行能量转换。

[0021] 商品温差发电器件N和P的一端结合并将其置于高温受热态，另一端开路并给以冷却或低温，由于高温端的热激发作用较强，此端的空穴和电子浓度比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差。将许多对P型和N型热点转换材料连接起来组成模块，就可以得到足够高的电压形成一个温差发电机。

[0022] 温差电是研究热能和电能直接转换的技术。德国科学家塞贝克(Seebeck)首先发现了温差电效应。两种不同的金属构成闭合回路，当回路两端存在温差时,回路中将产生电流，这一效应成为温差发电的技术基础，被称之为塞贝克效应。温差发电器的工作原理基于塞贝克效应，采用高优值的P型N型两种材料(如硅锗合金、碲化铅)将热能直接转换成为电能。

[0023] 温差电元器件为固体状态的装置，无机械运动部件，工作时无噪声、寿命长、体积小、重量轻、不需或只需极少维护。

[0024] 同位素温差发电器是迄今为止最佳的星际飞行器的辅助电源。前苏联和美国是研制和使用同位素温差发电器最多的国家,自1961年以来,仅美国在太空飞行中使用的同位素温差发电器总数就达40个,这些同位素温差发电器的输出功率为2.7～300W,最长的工作时间已超过30年[蔡善钰.空间同位素发电体系的应用现状与展望[J].核科学与工程,1994,14(4):373～379][高敏,等.空间探测用半导体温差发电系统[J].中国空间科学技术,1992,06:27～33][Rowe D M.Applications of Nuclear-powered Thermoelectric Generators in Space[J].Applied Energy.1991,40(4):241～271]。

[0025] 1977年发射的旅行者2号行星际飞行器,使用238Pu同位素温差发电器,已成功飞越了木星、土星、天王星和海王星,现已飞出太阳系,温差发电器仍在正常工作。

[0026] 有报道利用燃油发动机的废热温差发电得到成功应用,将多个热电转换器件串/并联后，固定在柴油机排气管通道上，器件热端一侧是排气管道，冷端一侧是热交换器[Kushch A.The effects of an exhaust thermoelectric generator of a GM sierra pickup truck[C].2004DEER Conference Coronado,California,USA,2004]。

[0027] 日本Nissan汽车公司研究中心研制了排气温差发电器,可以回收11%的热量 [Ikoma K,etal.Thermoelectric module and generator for gasoline engine vehicles,Proceedings of ICT,1998,464～467]。

[0028] 美国Hi-Z公司在能源部资助下进行了柴油机载重车排气余热温差发电的研究，并进行了台架和道路实验。安装在柴油机车的热电发电器,外形像一个立式的消声器。在排气管上用72块HZ-14模块按圆周排列布置,冷端用水冷却,形成了250～270℃温差,能提供2000～4000W的功率[Masahide M,et al.Thermoelectric generator utilizing automobile engine exhaust gas[J].Thermal Science and Engineering,2001,9:17～18]。

[0029] 温差发电的实例证明，其重量轻、体积小、可靠性好，安全性好，节约能源环保。

[0030] 在现有的文献中，无论是使用同位素作为热源的温差发电，还是美国Hi-Z公司，日本Nissan汽车公司研究中心研制的排气温差发电器技术都无法直接使用在列车的轮对踏面的摩擦热发电，无法利用这种废热能源，因为，美国Hi-Z公司，日本Nissan汽车公司都是采用传热方式，而不是利用热辐射的能量转换方式，列车的轮对踏面热辐射无法使用传热方式使得半导体温差发电器获得它的热能实现温差发电。

发明内容

[0031] 本发明的目的是克服现有的技术缺点，提供一种列车轮对踏面热辐射温差发电机。

[0032] 依据文献记载，20吨至22.5吨，速度130～160Km/h，列车车轮踏面温度332.5～480℃，最高接触温度高达1100℃和1030℃。本发明利用列车车轮踏面的热效应通过辐射传热实现温差发电，把这种废热源转换为电能给重载货运列车ECP(Electronically Controlled Pneumatic)提供电源。

[0033] 本发明列车轮对踏面热辐射温差发电机由热辐射受热板、热端导热石墨片、半导体温差发电器、冷端导热石墨片、对流散热器、风道、以及导流板组成。所述的热辐射受热板相向列车的轮对的踏面布置，列车轮对踏面的热辐射对热辐射受热板辐射加热，热辐射受热板形成高温。为了热辐射受热板的高温更有效的向半导体温差发电器的热端传热，热辐射受热板通过热端导热石墨片与半导体温差发电器的热端紧贴。同理，为了半导体温差发电器的冷端获得更好的冷却，半导体温差发电器的冷端与对流散热器接触面具有良好的导热，导体温差发电器的冷端与对流散热器之间通过冷端导热石墨片紧密接触，以提高传热效率。对流散热器散热面置于风道内，风道罩在对流散热器上。为了使列车行走速度产生的气流进入风道与对流散热器对流换热，在风道口安装有导流板，导流板导流作用，将列车行走时产生的气流导入风道中。

[0034] 为了获得更大的热辐射效率，热辐射受热板的受辐射面设计为多凸棱矩形结构。依据传热理论，对流效率与换热面积成正比，换热面积越大，换热效率越高，为了达到增大换热面积，对流散热器的对流面设计为肋凸结构。

[0035] 本发明的工作原理和工作过程如下：

[0036] 列车运行时，轮对的踏面与轨道摩擦形成高温，热辐射受热板相向列车轮对的踏面处于受热状态，形成高温。热辐射受热板受辐射热的热量通过热端导热石墨片向半导体温差发电器的热端传热，半导体温差发电器的热端温度升高，半导体温差发电器的冷端与冷端导热石墨片紧贴安装，冷端导热石墨片紧贴对流散热器安装，使之传热良好，对流散热器安装于风道之中，对流散热器被列车运行时从导流板导流进入风道的气流对流冷却。依据文献记载，列车车轮踏面温度332.5～480℃，相对于列车运行时环境温度气流45℃，也就是说对流冷却介质温度45℃。只要列车处于运行状态，来自列车行走的速度产生的气流保持对流冷却的效果，其半导体温差发电器的热端与冷端温差达到了美国Hi-Z公司的柴油机载重车排气余热温差发电的数据250℃～270℃。文献记载了美国Hi-Z公司研制温差发电装置在250℃～270℃温度范围内，可以发出2000～4000W的电功率。

[0037] 本发明利用列车车轮踏面的热效应实现温差发电，把这种废热源转换为电能给重载货运列车ECP提供电源，为我国的发展重载大运量货运技术提供列车轮对踏面热辐射温差发电机，是推动《中长期铁路网发展规划》实施技术支持，在现有的65万辆货运列车进行技术升级改造过程，列车自给电源具有十分广阔的市场需求，除了带来社会效益，其本身也具有可观的经济意义。

附图说明

[0038] 图1是本发明列车轮对踏面热辐射温差发电机结构示意图，图中，轮对1、热辐射受热板8、热端导热石墨片2、半导体温差发电器3、冷端导热石墨片4、对流散热器5、风道6、导流板7；

[0039] 图2是图1的A——A剖视图，图中，轮对1、热辐射受热板8、热端导热石墨片2、半导体温差发电器3、冷端导热石墨片4、对流散热器5、风道6；

[0040] 图3是热辐射受热板9示意图；

[0041] 图4是对流散热器6示意图。

具体实施方式

[0042] 以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

[0043] 如图1、图2所示，本发明列车轮对踏面热辐射温差发电机，包括热辐射受热板8、热端导热石墨片2、半导体温差发电器3、冷端导热石墨片4、对流散热器5、风道6、导流板7。

[0044] 热辐射受热板8相向轮对1踏面安装，热端导热石墨片2紧贴半导体温差发电器3的热端，半导体温差发电器3冷端紧贴冷端导热石墨片4，对流散热器5紧贴冷端导热石墨片4，风道6罩在对流散热器5上，导流板7安装在风道6的入口处。

[0045] 列车运行时，轮对1的踏面与轨道摩擦形成高温，热辐射受热板8相向轮对1的踏面，处于受热辐射状态形成高温。热辐射受热板8受辐射热的热量通过热端导热石墨片2向半导体温差发电器3的热端传热，半导体温差发电器3的热端温度升高，半导体温差发电器3的冷端与冷端导热石墨片4紧贴的对流散热器5被列车运行时从导流板7进入风道
6的气流冷却，只要列车保持运行状态，半导体温差发电器3的热端，总是处于受热辐射状态，半导体温差发电器3的冷端总是处于受从导流板7进入风道6的气流冷却状态，半导体温差发电器3热端与冷端温差处于持续状态，半导体温差发电器3也就保持了持续发电。

[0046] 依据文献记载，列车车轮踏面温度可达332.5～480℃，相对于列车运行时环境温度气流45℃，半导体温差发电器3的热端辐射受热温度与半导体温差发电器3的冷端对流冷却温度45℃，热端、冷端温差达到278.5～435.5℃。

[0047] 如图3所示，为了提高热辐射受热板8的受热辐射面积，热辐射受热板8的受热面为多凸棱矩形结构。

[0048] 如图4所示，为了提高对流散热器5对流换热面积，对流散热器5的对流面为肋凸结构。