LNG冷能利用与低温半导体温差发电研究

论文摘要

液化天然气（LNG）在使用前，必须经过汽化后以气体状态通过管道输送到各个用户，汽化过程中会释放数量众多、品质很高的冷能，将这部分冷能有效利用会带来巨大的经济和社会效益。如何有效提高LNG冷能利用效率一直是人们关注的课题。本文重点介绍了一种通过半导体温差发电方法利用LNG冷能并联合电解水制氢的新设想，对该方案进行了深入的理论和实验研究。此外，还研究了几种利用LNG冷能的新方法，包括改进的联合法发电、温差发电联合动力循环回收LNG冷能、利用LNG冷能液化空气以及太阳电池发电与LNG冷能联合等。利用LNG冷能的一种主要方法是发电，以前的方法主要是利用LNG的低温冷能使低沸点工质液化，液体工质经泵加压后，再利用海水或空气加热气化，进入气轮机中膨胀做功带动发电机发电，这类方法需要透平、蒸发器等装置，结构复杂、维护不方便。本文首次提出的半导体温差发电利用LNG冷能方案以半导体材料的热电性质为基础，通过将发电元件进行适当组合并配合附属设备形成了一套完整的半导体温差发电装置，该装置具有结构简单、运行平稳、扩充方便等方面的特点。在此基础上完成了温差发电联合电解水的实验研究，开辟了一种利用LNG冷能的新途径。半导体温差发电元件是本方案中的重要影响因素，因此本文首先对半导体温差发电过程进行了热力学分析，在建立基本模型的基础上推导了温差发电元件内部温度分布函数和冷热端热流的表达式，进而得到输出功率和效率的公式。分析过程中利用了优值系数评价半导体热电材料和元件性能，讨论了热传导、Thomson效应和负载电阻对于输出功率和效率的影响，发现在低温及大温差工况下，Thomson效应的影响显著，不可忽略，这一点在一般教科书中并未提及。热电元件的性能主要取决于材料，半导体热电材料多种多样，且都有各自的最佳工作温度区间。Bi2Te3固溶体合金是目前公认的在室温附近范围内性能较好的热电材料，而较低温度时发电性能良好的半导体材料及元件还研究不多，因此本文对一种Bi0.52Sb1.48Te3和Bi2Te<sub>2.79Se0.21／TeI4固溶体合金进行了低温特性测试，

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Abstract

符号表

第1章绪论

1 研究背景及意义

2 LNG冷能利用综述

2.1 直接利用

2.2 间接利用

3 半导体温差发电

3.1 热电现象

3.2 热电材料

3.3 热电装置应用

4 本文研究内容

参考文献

第2章热电转换热力分析

1 热电效应

1.1 Seebeck效应

1.2 Peltier效应

1.3 Thomson效应

1.4 优值系数

2 温差发电模型及基本公式

2.1 基本模型与方程

2.2 输出功率与效率函数式

2.3 负载电阻的选择

3 输出功率与效率的影响因素

3.1 热传导的影响

3.2 Thomson效应对最大输出功率的影响

参考文献

2Te₃合金材料与器件低温特性测试'>第3章 Bi₂Te₃合金材料与器件低温特性测试

1 热电转换固体理论

1.1 基本概念

1.2 散射机构

1.3 Seebeck系数

1.4 电导率

1.5 热导率

2Te₃及其合金材料简介'>2 Bi₂Te₃及其合金材料简介

2Te₃化合物'>2.1 Bi₂Te₃化合物

2Te₃固溶体合金'>2.2 Bi₂Te₃固溶体合金

3 材料低温参数测定

3.1 热导率测定

3.2 电导率测定

3.3 Seebeck系数测定

3.4 无量纲优值系数拟合

3.5 误差分析

4 热电器件低温性能测定

4.1 输出电压与内阻

4.2 理论求解与对比

参考文献

第4章温差发电利用LNG冷能的换热器研究

1 低温换热器

1.1 低温换热器特点

1.2 温差发电装置中的换热器

2 温差发电装置换热器设计

2.1 板管填充式换热器

2.2 矩形腔强迫流动式换热器

2.3 浸没式换热器

2.4 喷淋式换热器

3 喷淋式换热器的换热分析

3.1 换热过程描述

3.2 热侧换热

3.3 冷侧换热

3.4 温度分布

3.5 传热系数

参考文献

第5章利用LNG冷能的半导体温差发电系统研究

1 系统流程设计

1.1 工程应用系统

1.2 实验演示系统

2 实验系统发电装置

2.1 半导体发电组件

2.2 换热设计

2.3 附属设备

3 实验系统电解装置

3.1 电解槽

3.2 电解液

3.3 电解电压与极化作用

3.4 实验电解装置

4 利用低温冷能发电-电解水制氢实验

4.1 实验装置系统及测试流程

4.2 测试结果及分析

参考文献

第6章 LNG冷能综合利用

1 动力循环回收LNG冷能

1.1 改进的联合法

1.2 温差发电联合动力装置

2 利用LNG冷能液化空气

3 低温天然气与太阳电池结合发电

3.1 理论依据

3.2 实验测试

参考文献

第7章提高热电材料转换效率的探讨

1 优值系数的微观描述

2 掺杂的选择

2.1 施主与受主

2.2 最佳掺杂浓度

2.3 β的影响

3 降低晶格热导率

3.1 提高原子量

3.2 固溶体合金

3.3 微晶结构

3.4 超晶格

参考文献

第8章结论与展望

1 结论

2 创新点

3 后续工作展望

致谢

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