废热半导体温差发电技术的研究与开发

论文摘要

伴随着工业化的高速发展,全球性的环境恶化和能源危机正威胁着人类的长期稳定发展。为此,各国政府对绿色环保技术的研究与利用给予了前所未有的关注和支持。温差发电技术是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,因而在发电过程中具有经济、环保和方便等优点,已在航空和军事等一些特殊领域发挥了无可替代的作用。随着半导体技术的发展和更新,以半导体为主要转换材料的温差发电技术正逐步向工业化和民用化的方向发展。在当前节能减排的热潮之下,温差发电技术更以其独特的优势在低品位能源的回收利用等方面将会发挥更加重要的作用。本文就是基于温差电技术的基本原理,对废热半导体温差发电技术进行了理论和实验研究。主要完成了如下基本工作:1)基于半导体温差电技术的原理和基本效应,采用有限时间热力学理论,建立了内外均不可逆情况下常规和二级半导体温差发电器的理论模型和性能分析的数学模型。并以工作效率、输出功率和火用效率为目标函数,通过仿真模拟计算分析了二级半导体温差发电器的性能特性,计算出不同情况下二级半导体温差发电器的最大效率、输出功率和火用效率,进而优化了温差发电器的内部结构,确定了工作电流的最佳范围;2)在实验研究方面,设计并搭建了以废水为热源的半导体温差发电系统的性能测试平台,并在此基础之上对整个废热温差发电系统进行了相关的优化和改进。而后,对优化后的废热温差发电系统进行了实验研究,完成了多工况下不同温差的发电器性能研究,得到了可靠的实验数据,并总结出了一系列温差发电器的运行规律,为温差电技术的进一步研究奠定了理论基础。3)基于以上废热温差发电系统,采用仿真模拟的方法分析了不同负载下系统各性能参数随冷热端温差的变化,通过仿真模拟和实验测试的分析比较,验证了其理论模型的合理性。本文通过对废热半导体温差发电器性能的研究,总结了输出功率、工作效率和火用效率等发电性能参数随外电路、温度工况等因素的变化规律。尤其是对将废热资源作为热源的温差发电系统的研究,为半导体温差发电器在回收低品位热源的热能方面提供了许多具有实用价值的可行方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 能源危机与环境污染
• 1.1.2 新能源开发及能源回收利用
• 1.2 温差发电概述
• 1.2.1 温差电发展历史
• 1.2.2 温差发电的原理及特点
• 1.2.3 温差电技术的应用及国外研究进展
• 1.2.4 温差电技术的国内研究进展
• 1.3 本文的研究内容和意义
• 2 温差发电的基本效应及性能参数
• 2.1 温差发电的基本效应
• 2.1.1 塞贝克（Seebeck）效应
• 2.1.2 珀尔帖（Peltier）效应
• 2.1.3 汤姆逊（Thomson）效应
• 2.1.4 焦耳效应
• 2.1.5 傅立叶效应
• 2.1.6 开尔文关系式
• 2.2 温差发电系统的性能参数
• 2.2.1 温差发电的工作效率
• 2.2.2 温差发电的输出功率
• 2.2.3 温差发电的火用效率
• 2.3 温差电材料的性能参数
• 2.3.1 温差电材料的塞贝克系数
• 2.3.2 温差电材料的电导率
• 2.3.3 温差电材料的热导率
• 2.4 本章小结
• 3 半导体温差发电系统理论模型与研究
• 3.1 常规半导体温差发电系统的理论模型
• 3.1.1 系统理论模型
• 3.1.2 数学模型的建立
• 3.2 二级半导体温差发电系统理论模型与研究
• 3.2.1 系统理论模型
• 3.2.2 数学模型的建立
• 3.2.3 系统性能优化分析
• 3.3 本章小结
• 4 废热半导体温差发电系统实验设计与优化
• 4.1 实验系统的设计与组成
• 4.1.1 温差电模块设计与组装
• 4.1.2 实验系统的组成
• 4.2 实验系统的优化与改进
• 4.2.1 温差发电器件内部结构优化分析
• 4.2.2 系统冷、热源换热优化分析
• 4.2.3 负载电阻的优化选取
• 4.2.4 温差发电系统的蓄能与控制
• 4.3 本章小结
• 5 废热半导体温差发电系统实验研究与性能分析
• 5.1 实验方法与内容
• 5.1.1 温度的测量
• 5.1.2 输出功率的测量
• 5.1.3 散热风机调控系统
• 5.2 实验数据的测试
• 5.2.1 温度的测量
• 5.2.2 系统参数的测量
• 5.3 自然冷却时实验测试与性能分析
• 5.3.1 最佳匹配系数时输出电压随温差的变化
• 5.3.2 最佳匹配系数时输出功率随温差的变化
• 5.4 强制风冷时实验测试与性能分析
• 5.4.1 最佳匹配系数时温差对发电器内阻的影响
• 5.4.2 最佳匹配系数时输出电压随温差的变化
• 5.4.3 最佳匹配系数时输出功率随温差的变化
• 5.4.4 最佳匹配系数时工作效率和火用效率随温差的变化
• 5.5 仿真模拟计算与性能分析比较
• 5.5.1 不同负载下输出电压和输出功率随温差的变化
• 5.5.2 不同负载下工作效率和火用效率随温差的变化
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录