水面太阳辐射热能发电装置研究

论文摘要

能量供应是水面分布式传感网络面临的重要问题。本文创新性地提出了水面低功耗无线传感器节点利用太阳辐射热能实现自供电的方法,研制了相应的发电装置。该装置采用半导体温差发电器(Thermoelectric Generator,TEG)将热能直接转换成电能,具有体积小、寿命长、无运动部件、可靠性高等优点,很适合于水面低功耗无线传感器节点的供能。论文主要研究内容和结论如下:1.建立了水面太阳辐射热能发电装置的传热模型。根据一维稳态传热的基本理论,建立了发电装置的集热部件、隔热部件、散热部件以及考虑热阻影响的TEG的传热模型。在此基础上,建立了发电装置的传热模型并对其展开了相应的分析,为发电装置的结构设计奠定了理论基础。2.设计并开发了一套TEG性能测试平台。该平台用电热板提供热源,用制冷器件和风扇组成的混合散热装置散热,具有结构紧凑、测量精度较高的特点,可满足对多个TEG串并联发电性能的测试要求。通过该平台完成了TEG发电性能的测试,为后续设计提供了实验基础。3.完成了发电装置的设计并研制了实验样机。分析了无线传感器节点的工作条件和能耗要求,完成了发电装置集热部件、隔热部件、散热部件等部件的结构设计,研制出了结构紧凑的实验样机;针对温差发电器输出特性,研究设计了电源管理单元,实现对低输入电压的高效处理,使发电装置的输出电压能够满足电子电路的工作电压要求。4.完成了实验样机的性能测试。测试结果表明:在冬天天气晴朗的条件下,该样机每天能够收集到6.7mAh的能量,能够满足水面低功耗无线传感器节点的工作能量需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 太阳辐射热能发电
• 1.3 温差发电技术研究现状
• 1.3.1 热电材料的研究现状
• 1.3.2 热电器件的研究现状
• 1.4 论文研究思路及内容安排
• 1.4.1 论文研究的主要问题及思路
• 1.4.2 论文的内容安排
• 第二章 太阳辐射热能发电的相关理论
• 2.1 半导体的温差电效应
• 2.1.1 塞贝克效应
• 2.1.2 珀尔帖效应
• 2.1.3 汤姆逊效应
• 2.1.4 傅里叶效应
• 2.1.5 焦耳热效应
• 2.1.6 开尔文关系
• 2.2 接触电阻、接触热阻的影响
• 2.3 三种传热方式
• 2.3.1 热传导
• 2.3.2 热对流与对流换热
• 2.3.3 热辐射
• 2.4 太阳辐射热能
• 2.5 本章小结
• 第三章 TEG 性能测试平台的开发
• 3.1 测试平台简介
• 3.2 测试平台的开发
• 3.2.1 散热装置设计
• 3.2.2 温度传感器的选型
• 3.2.3 测温系统硬件电路设计
• 3.2.4 测试平台的软件设计
• 3.3 TEG 性能测试
• 3.3.1 实验平台
• 3.3.2 利用最小二乘法校正非线性
• 3.3.3 TEG 的塞贝克系数测量
• 3.3.4 串并联发电性能测试
• 3.4 本章小节
• 第四章 发电装置的模型建立与分析
• 4.1 发电装置的基本结构
• 4.2 模型描述与条件假设
• 4.3 发电装置组成部件的传热模型建立
• 4.3.1 隔热部件的传热模型建立
• 4.3.2 集热部件的传热模型建立
• 4.3.3 散热部件的传热模型建立
• 4.3.4 考虑热阻影响的TEG 模型建立
• 4.4 总体传热模型建立与分析
• 4.4.1 总体传热模型的建立
• 4.4.2 传热模型的分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 发电装置的设计与样机研制
• 5.1 设计约束条件分析
• 5.1.1 工作环境约束
• 5.1.2 无线传感器节点的能耗约束
• 5.1.3 TEG 输出电压的约束
• 5.2 发电装置的结构设计
• 5.2.1 集热部件设计
• 5.2.2 隔热部件设计
• 5.2.3 散热部件设计
• 5.2.4 其它部件设计
• 5.3 电源管理单元设计
• 5.3.1 电源管理单元设计思想
• 5.3.2 电源管理单元的工作原理及电路设计
• 5.3.3 储器件的选型
• 5.4 热电能量发电装置的实验测试与结果分析
• 5.4.1 发电装置的发电性能估算
• 5.4.2 实验测试及结果分析
• 5.5 本章小节
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 关于学科术语