半导体温差发电系统及其性能研究

发布时间：2017-10-15 14:42

  本文关键词：半导体温差发电系统及其性能研究

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【摘要】：“十三五”时期,我国能源发展战略也从量的增长转向质的提升,而发展绿色、可再生能源以及提高能源的有效利用是全面提高能源质量的有效保障和主要技术手段。半导体温差发电技术是一种将低品位热能直接转换成为高品质电能的有效方法,具有无噪音、寿命长、绿色环保等特点,因此半导体温差发电系统在低品位能源方面的关键技术研究具有重要意义。本文根据我国低品位热源的产生特点和利用现状,采用数值仿真与实验相结合的方法对半导体温差发电系统进行性能分析与测试,重点讨论温差发电组件的分析模型、基板对组件传热特性以及在输出特性方面的影响；同时,考虑热电单元之间空隙的空气流动传热问题,建立接近实际工况的数值模型,探究热电单元的结构、尺寸等因素对温差发电组件性能的影响,并比较不同散热外场对温差发电系统输出功率、转换效率的影响。本研究对全面提升半导体温差发电系统的性能和应用将产生一定的影响。本课题的主要内容如下：1.采用热阻网络分析、对比分析和实验测试的方法,对半导体温差发电组件冷端采用强制空气冷却和强制液体冷却下各部分热阻的分布,以及对组件热流密度、输出功率、输出电压的影响。针对热源的性质(恒热流密度和恒温)、使用环境以及负载特性的需求；并结合工程的经济性而设计合适的温差发电组件结构以及温差发电系统的散热外场,为进一步优化半导体温差发电系统各部分热阻奠定理论基础。2.为分析温差发电组件性能,提出一种新型的半导体温差发电模型。在温差发电过程的数值模拟中考虑热电单元之间封闭腔体内空气传热的影响。同时基于有限元法数值计算方法,利用ANSYS数值仿真软件对不同电臂对数和不同型号温差发电模型的温度场、电压场进行数值仿真计算,并对仿真结果进行三维稳态分析。对比三种不同横截面积的热电单元的温差发电模块的性能,得出热电单元的输出电压、功率以及能量转换效率均随着热电单元的横截面积的增大而提高,且热电单元冷热两端的温差越大提高幅度也越大,而温差发电芯片内阻则随着电偶臂横截面积的增大而减小；这些结果对热电组件的结构优化和具体规律的全面研究有重要意义。3.为进一步探究半导体温差发电系统的性能而建立半导体温差发电模块测试系统,设计低压辅助启动的稳压模块。分析半导体温差发电系统的散热外场、热源温度和负载电阻对热电性能的影响。通过比较分析,对于恒温热源强制液体冷却方式相比于强制空气冷却方式更有利益于提高温差发电模块的输出功率且高达24.4%。通过对半导体温差发电系能量转换关键技术及方案优化的研究表明,半导体温差发电技术作为一种低品位热能回收利用技术具有独特的优势,在节能环保、分布式能源利用领域表现活跃。本课题有关半导体温差发电技术及应用的研究成果,有助于温差发电技术的应用与推广
【关键词】：温差发电 塞贝克系数 结构优化 热电性能
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM913
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-22
• 1.1 研究背景及意义13-17
• 1.2 半导体温差发电系统及其应用领域17-20
• 1.3 温差发电组件的传热特性分析20
• 1.4 课题主要研究内容及来源20-21
• 1.5 本文的创新和特色21-22
• 第二章 半导体温差发电技术的基本理论22-30
• 2.1 温差发电技术的基本原理22-27
• 2.2 热电材料的品质因数与性能评价27-28
• 2.3 效率、品质因数及温度的内在联系28-29
• 2.4 最大输出功率与负载的匹配29
• 2.5 本章小结29-30
• 第三章 半导体温差发电组件的性能分析30-46
• 3.1 前言30-31
• 3.2 温差发电组件性能分析31-38
• 3.2.1 温差发电组件测试平台31-37
• 3.2.2 温差发电模块热阻分析37-38
• 3.3 结果与分析38-44
• 3.3.1 温差发电组件的温度分布38-39
• 3.3.2 温差发电组件的性能测试39-41
• 3.3.3 基板导热对组件性能参数的影响41-44
• 3.4 本章小结44-46
• 第四章 温差发电组件热电单元的结构优化46-56
• 4.1 前言46-47
• 4.2 温差发电组件准确物理模型47-48
• 4.3 温差发电组件准确计算模型48-49
• 4.4 数值计算结果与分析49-55
• 4.4.1 多对热电单元对温差发电组件性能的影响49-50
• 4.4.2 热电单元尺寸对性能的影响50-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第五章 温差发电系统散热外场的分析与实验研究56-63
• 5.1 温差发电系统的设计56-57
• 5.1.1 温差发电系统散热模块的设计56-57
• 5.1.2 稳压电路模块的设计57
• 5.2 温差电系统的性能分析57-61
• 5.2.1 开路电压和输出功率随温差的变化关系57-59
• 5.2.2 散热方式对温差发电系统输出功率的影响59-61
• 5.3 本章小结61-63
• 结论与展望63-65
• 参考文献65-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科技成果73-76
• 致谢76

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本文编号：1037702