PCM-TEG围护结构的热电效能及其优化研究
发布时间：2021-03-25 19:19
温差发电技术可以实现热能到电能的直接转换,常用于低品位热源如地热、太阳能、工业余热、废热等的回收利用。相变围护结构热容大,在减少能耗、改善室内环境等方面有很大潜力。本论文将温差发电技术与相变（材料）围护结构结合,分别研究了TEG、PCM-TEG、PCM-TEG围护结构的温度、热电效能及优化规律,具体如下:分析了温差发电器（TEG）基础性能,得到了TEG最大输出功率和最大热电转换效率随温差变化规律。研究了TEG单片、串联和并联等不同组合方式下的电能输出特性和最优负载,发现多个TEG在不同组合方式的电能输出规律与直流电源基本相同,最优负载则与串并联组合的TEG等效内阻有关。开展了PCM-TEG冷热端传热强化研究,分析了相变材料（PCM）相变温度、相变材料体积及导热系数对PCM-TEG的温度和电能输出影响。通过强化PCMTEG冷热端的辐射及对流换热,提高了其电能输出能力。PCM相变温度为TEG冷热端工作温度均值时最佳;PCM-TEG电能输出随相变层厚度增加而增加;还随相变材料导热系数增加而增加,且存在最优导热系数值。相变材料中添加膨胀石墨（Graphite）可使得GPCM-TEG电能输出增大...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TEG示意图
硕士学位论文4图1-2P-N结局部图Figure1-2P-Njunction20世纪90年代，随着对热电材料基础物理问题的深入研究，出现了新的性能较好的热电材料，主要为化合物半导体及其合金。塞贝克系数S和热电优值系数Z是用来评价热电材料性能好坏的重要参数，如式（1-8）所示[7]：=2（18）式中，S为Seebeck系数，V/℃。热电装置的输出电压一般与温差大小成正比，该比值即为Seebeck系数。σ为热电材料的电导率，S/m；k为热电材料的导热系数，W/(m·K)。通常用无量纲值ZT来表示材料的热电性能，如式（1-9）所示：=2（19）式中，T为TEG工作条件下高低温端的平均值，℃。ZT越大，表示该材料的热电性能越好。因此，材料的塞贝克系数越大、电导率越大、热导率越小，其热电性能越好。但实际上，塞贝克系数、电导率和热导率之间是相互关联的。电导率随着载流子浓度的增大而增大，而塞贝克系数会有大幅下降。电导率与热导率成正比关系，随着电导率的提高，热导率也呈上升趋势[8]。因此，需要平衡热导率、电导率和塞贝克系数之间的关系，从而得到较优性能的热电材料。目前大多数热电材料的ZT值都小于或等于1，导致电能输出和热电转换效率较低，这也是温差发电技术中一个亟待解决的问题，即如何提高热电材料的ZT值。不同类型的热电材料有其不同的适用工作温度范围，一般将其分为普通冷温区、中温区及高温区[9]，每种温度区间的最优热电材料如下：（1）适用于普通冷温区的碲化铋（Bi2Te3）类材料；最佳工作温度小于450℃。（2）适用于中温区热电发电的碲化铅（PbTe）类材料；最佳工作温度1000℃左右。（3）适用于高温区热电发电的硅化锗（SiGe）合金；最佳工作温度1300℃左右[10]。因此，在实际应用中，除了考虑材料ZT值，还应根据实
效率可高达 32.09%。 Ding[32]等总结了太阳能池与温差发电的结合，可以将低温热源转化为电能，且该设备已经在偏远地区得到应用。 Guo 和 Lu[33]介绍了热电和压电技术结合在路面发电应用中的进展。如果使用 PZT-TEG 系统将整个道路网络覆盖，每天可收集 55GWh 电能，而只被 PZT覆盖的系统每天只能产生 4.04Mwh 电能。 Jiang 等[34]进行了热电沥青路面发电和降温的设计与实验。设计的温差发电模块可将沥青路面的热吸收转化为电能，从而降低路面温度。结果表明，该系统在高温季节将路面温度降低 8-9℃, 300mm×300 mm×100 mm 的沥青路面电能输出可以达到 0.564V（图 1-3）。
【参考文献】：
期刊论文
[1]徐州地区既有居住建筑能耗调查与节能改造分析[J]. 田国华,季翔,刘伟,刘朋,张丽娟. 建筑节能. 2018(06)
[2]基于塞贝克效应的森林土壤温差发电[J]. 黄永胜,徐道春,李文彬,张保卫. 森林与环境学报. 2018(01)
[3]温差电材料高效发电方法研究[J]. 徐冉. 功能材料与器件学报. 2017(01)
[4]模拟太阳光源系统的性能测试及实验研究[J]. 赵惠忠,宋莎莎,程俊峰,刘雪艳. 可再生能源. 2017(01)
[5]相变蓄能建筑墙体研究进展[J]. 张小松,夏燚,金星. 东南大学学报(自然科学版). 2015(03)
[6]相变传热在半导体热电转换中的应用[J]. 王世学,张星. 热科学与技术. 2015(02)
[7]半导体热电装置的热力学研究进展[J]. 陈林根,孟凡凯,戈延林,孙丰瑞. 机械工程学报. 2013(24)
[8]温差电组件串并联连接的热阻解析模型[J]. 周泽广,朱冬生,黄银盛,王婵. 沈阳工业大学学报. 2012(01)
[9]纳米复合热电材料的研究现状[J]. 郭捷,李智东,陈平宇,赵昆渝. 材料导报. 2011(S1)
[10]接触效应对小型半导体温差发电器性能的影响[J]. 李茂德,屈健,李玉东,李伟江. 半导体学报. 2005(12)
博士论文
[1]复合相变储能材料的传热特性研究[D]. 黄欣鹏.东南大学 2018
[2]基于热电转换的铝电解槽侧壁余热发电研究[D]. 梁高卫.中南大学 2013
[3]基于热电效应的热回收应用技术研究和设备开发[D]. 李涛.湖南大学 2010
硕士论文
[1]相变蓄热换热器的数值模拟及优化设计[D]. 徐明.西安建筑科技大学 2015
[2]基于余热回收的半导体温差发电模块优化设计与性能实验研究[D]. 薛源.山东大学 2015
[3]建筑用新型复合相变材料储能过程的模拟及实验研究[D]. 张盼.重庆大学 2014
[4]太阳辐射作用下钢管混凝土截面温度分布研究[D]. 胡鹏韬.武汉理工大学 2012
本文编号：3100180
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TEG示意图
硕士学位论文4图1-2P-N结局部图Figure1-2P-Njunction20世纪90年代，随着对热电材料基础物理问题的深入研究，出现了新的性能较好的热电材料，主要为化合物半导体及其合金。塞贝克系数S和热电优值系数Z是用来评价热电材料性能好坏的重要参数，如式（1-8）所示[7]：=2（18）式中，S为Seebeck系数，V/℃。热电装置的输出电压一般与温差大小成正比，该比值即为Seebeck系数。σ为热电材料的电导率，S/m；k为热电材料的导热系数，W/(m·K)。通常用无量纲值ZT来表示材料的热电性能，如式（1-9）所示：=2（19）式中，T为TEG工作条件下高低温端的平均值，℃。ZT越大，表示该材料的热电性能越好。因此，材料的塞贝克系数越大、电导率越大、热导率越小，其热电性能越好。但实际上，塞贝克系数、电导率和热导率之间是相互关联的。电导率随着载流子浓度的增大而增大，而塞贝克系数会有大幅下降。电导率与热导率成正比关系，随着电导率的提高，热导率也呈上升趋势[8]。因此，需要平衡热导率、电导率和塞贝克系数之间的关系，从而得到较优性能的热电材料。目前大多数热电材料的ZT值都小于或等于1，导致电能输出和热电转换效率较低，这也是温差发电技术中一个亟待解决的问题，即如何提高热电材料的ZT值。不同类型的热电材料有其不同的适用工作温度范围，一般将其分为普通冷温区、中温区及高温区[9]，每种温度区间的最优热电材料如下：（1）适用于普通冷温区的碲化铋（Bi2Te3）类材料；最佳工作温度小于450℃。（2）适用于中温区热电发电的碲化铅（PbTe）类材料；最佳工作温度1000℃左右。（3）适用于高温区热电发电的硅化锗（SiGe）合金；最佳工作温度1300℃左右[10]。因此，在实际应用中，除了考虑材料ZT值，还应根据实
效率可高达 32.09%。 Ding[32]等总结了太阳能池与温差发电的结合，可以将低温热源转化为电能，且该设备已经在偏远地区得到应用。 Guo 和 Lu[33]介绍了热电和压电技术结合在路面发电应用中的进展。如果使用 PZT-TEG 系统将整个道路网络覆盖，每天可收集 55GWh 电能，而只被 PZT覆盖的系统每天只能产生 4.04Mwh 电能。 Jiang 等[34]进行了热电沥青路面发电和降温的设计与实验。设计的温差发电模块可将沥青路面的热吸收转化为电能，从而降低路面温度。结果表明，该系统在高温季节将路面温度降低 8-9℃, 300mm×300 mm×100 mm 的沥青路面电能输出可以达到 0.564V（图 1-3）。
【参考文献】：
期刊论文
[1]徐州地区既有居住建筑能耗调查与节能改造分析[J]. 田国华,季翔,刘伟,刘朋,张丽娟. 建筑节能. 2018(06)
[2]基于塞贝克效应的森林土壤温差发电[J]. 黄永胜,徐道春,李文彬,张保卫. 森林与环境学报. 2018(01)
[3]温差电材料高效发电方法研究[J]. 徐冉. 功能材料与器件学报. 2017(01)
[4]模拟太阳光源系统的性能测试及实验研究[J]. 赵惠忠,宋莎莎,程俊峰,刘雪艳. 可再生能源. 2017(01)
[5]相变蓄能建筑墙体研究进展[J]. 张小松,夏燚,金星. 东南大学学报(自然科学版). 2015(03)
[6]相变传热在半导体热电转换中的应用[J]. 王世学,张星. 热科学与技术. 2015(02)
[7]半导体热电装置的热力学研究进展[J]. 陈林根,孟凡凯,戈延林,孙丰瑞. 机械工程学报. 2013(24)
[8]温差电组件串并联连接的热阻解析模型[J]. 周泽广,朱冬生,黄银盛,王婵. 沈阳工业大学学报. 2012(01)
[9]纳米复合热电材料的研究现状[J]. 郭捷,李智东,陈平宇,赵昆渝. 材料导报. 2011(S1)
[10]接触效应对小型半导体温差发电器性能的影响[J]. 李茂德,屈健,李玉东,李伟江. 半导体学报. 2005(12)
博士论文
[1]复合相变储能材料的传热特性研究[D]. 黄欣鹏.东南大学 2018
[2]基于热电转换的铝电解槽侧壁余热发电研究[D]. 梁高卫.中南大学 2013
[3]基于热电效应的热回收应用技术研究和设备开发[D]. 李涛.湖南大学 2010
硕士论文
[1]相变蓄热换热器的数值模拟及优化设计[D]. 徐明.西安建筑科技大学 2015
[2]基于余热回收的半导体温差发电模块优化设计与性能实验研究[D]. 薛源.山东大学 2015
[3]建筑用新型复合相变材料储能过程的模拟及实验研究[D]. 张盼.重庆大学 2014
[4]太阳辐射作用下钢管混凝土截面温度分布研究[D]. 胡鹏韬.武汉理工大学 2012
本文编号：3100180
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