基于形状记忆合金驱动的热电转换装置的结构设计与试验研究
发布时间：2021-10-18 09:17
能源是当今世界经济社会发展的重要物质基础,对经济繁荣、民生改善和国家安全至关重要。能源的消耗会产生余热,余热的排放形式复杂,无法大规模有效利用,不仅造成能源的浪费,也与当前建设资源节约型、环境友好型的社会发展需求不协调。为了解决能源消耗产生的余热收集问题,国内外通过研究智能材料间接转换余热而发电,形成了多种二次能源重复利用的技术与方法。本文将基于国家自然科学基金项目《压电与形状记忆合金复合型热能发电技术与方法研究》,设计一种结合形状记忆合金和压电材料的优点进行能量转换的装置。全文的研究内容如下:1.设计一种利用两种智能材料实现热电转换的机械结构。热电转换装置的工作原理:形状记忆合金受热产生变形能带动滑轮组连续转动,在滑轮组旋转的过程中冲击轮撞击压电振子发生变形而发电。2.对本文热电转换装置的冲击轮的转动进行分析。首先从受力角度分析形状记忆合金丝带动两轮转动的原因,然后通过研究形状记忆合金丝在转动过程中能量的吸收与释放,对两轮进行运动学分析,得出角速度随时间的变化关系。其次结合动力学公式,计算冲击轮在转动过程中产生的冲击力,确定使得两轮能够旋转的半径关系,当冲击轮半径为30mm时,结合驱...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热能的收集潜力压电材料由于正压电效应受力变形时
吉林大学硕士学位论文2本文将结合形状记忆合金与压电材料的优点，设计一种通过Ni-Ti形状记忆合金丝转换热能形成变形能，再以这种变形能驱动滑轮组转动，在滑轮组转动的过程中，使滑轮组中的冲击轮撞击压电振子产生电荷成电能的热电转换结构，为小型余热发电技术提供一种新思路。1.2热发电技术研究概述目前，低等级热能收集技术目前主要以下四种[3]：温差发电、热释电发电、热磁发电和热弹性发电，如图1.3所示。图1.3四种低等级热能收集技术1.2.1温差发电1.温差发电的原理温差发电技术是一种利用半导体材料的热电效应直接实现热能向电能转换的热发电技术[4]。热电材料的热电效应是由电流引起的可逆热效应和由温差引起的电效应的统称[5]，具体包括Seebeck效应、Peltier效应、Thomson效应，如图1.4所示。温差发电主要是采用了塞贝克（Seebeck）效应，1821年，德国物理学家Seebeck发现在两种不同金属构成的回路中，如果两个接头处的温度不同，其周围就会出现磁场[6]。进一步实验之后，发现回路中有一电动势存在，这种现象称为Seebeck效应[7]，这种现象是温差发电技术的理论基矗热电材料可分为两类：一类是以空穴迁移为主的P型热电材料，另一类是以电子迁移为主的N型材料[8-9]。基于塞贝克效应的温差发电需要将匹配的P型、N型热电材料串联成回路，在冷热端温差的作用下，构成的这种回路可以将热能转换为电能。温差发电原理图如图所示1.5（a）所示，空穴和电子分别在P型和N型引脚中从热侧流向冷侧，导致电流在外部电路中由P型引脚流向N型[10]，这种单个PN节的
第1章绪论3发电功率很低，温差发电模块是将多个单级PN节通过串并联的方式集成为一个整体，如图1.5（b）所示。图1.4热电效应：（a）Seebeck效应（b）Peltier效应（c）Thomson效应（a）（b）图1.5温差发电2.温差发电的研究现状温差发电技术已经广泛应用于航空航天、工业余热、汽车尾气排放的热能以及柔性及微小型温差热电等各个领域。ThermaWattTM蜡烛供电的TEG热能收集装置将蜡烛的热能转换为电能，如图1.6所示。尺寸为89mm95mm95mm的ThermaWatt,在接近室温时，输出能量达到500-800mW。图1.6蜡烛供电的TEG热能收集装置
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于形状记忆合金的热水发电装置设计[J]. 卢润生,吴尧,阴贺生,李勇,张泽平,李为昌,宋杰. 机械. 2016(10)
[2]温差发电技术及工业余热温差发电系统设计研究[J]. 鲍亮亮,韩永辉,张永忠,孟庆森. 兵器材料科学与工程. 2015(02)
[3]我国形状记忆合金研究与应用的新进展[J]. 杨冠军,杨华斌,曹继敏. 材料导报. 2004(02)
[4]热电材料的研究进展[J]. 沈强,涂溶,张联盟. 硅酸盐通报. 1998(04)
[5]形状记忆合金的本构关系[J]. 王健,沈亚鹏,王社良. 上海力学. 1998(03)
[6]NiTi形状记忆合金丝焊接性研究[J]. 牛济泰,张忠典,王蔚青,阚国丽,常朴怀,王儒润,白奉臣,赵岩. 材料科学与工艺. 1995(04)
[7]形状记忆合金与热双金属片特性的比较[J]. 程饴萱,陈继勤,李铭棠. 材料科学与工程. 1989(02)
博士论文
[1]中低温余热回收利用温差发电系统研究[D]. 王统才.华东理工大学 2017
[2]风致压电振动能量收集与存储技术研究[D]. 庞帅.北京林业大学 2016
[3]磁力耦合压电电磁复合俘能器发电特性研究[D]. 徐振龙.哈尔滨工业大学 2016
[4]压电式高频疲劳试验机的设计理论与试验研究[D]. 接勐.吉林大学 2013
[5]LNG冷能利用与低温半导体温差发电研究[D]. 贾磊.中国科学技术大学 2006
[6]激光焊接NiTi合金的性能研究[D]. 阎小军.大连理工大学 2006
[7]压电式粘滑精密运动机构驱动理论与实验研究[D]. 华顺明.吉林大学 2005
[8]形状记忆合金及其复合材料的本构关系[D]. 朱祎国.大连理工大学 2002
硕士论文
[1]形状记忆合金与压电复合型热发电原理与方法研究[D]. 刘超.吉林大学 2018
[2]柔性热释电单元器件设计与制备[D]. 李航.电子科技大学 2018
[3]悬臂梁压电陶瓷发电装置发电性能研究及结构优化[D]. 李小强.兰州理工大学 2016
[4]液压掘岩机的优化设计和分析研究[D]. 赵会敏.合肥工业大学 2015
[5]工业余热和汽车尾气废热温差发电回收利用技术的研究[D]. 鲍亮亮.太原理工大学 2015
[6]基于热释电、摩擦电效应的纳米发电机及其应用的研究[D]. 冷强.重庆大学 2015
[7]形状记忆合金海洋温差能发电装置的研究[D]. 杨军.浙江大学 2015
[8]形状记忆合金驱动的发电机构研究[D]. 高祥.中北大学 2014
[9]医用NiTi丝的焊接工艺与性能研究[D]. 张怡.西安石油大学 2014
[10]成品规格≥2.0mm的冷复双金属工艺研究[D]. 徐亮.东北大学 2011
本文编号：3442573
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热能的收集潜力压电材料由于正压电效应受力变形时
吉林大学硕士学位论文2本文将结合形状记忆合金与压电材料的优点，设计一种通过Ni-Ti形状记忆合金丝转换热能形成变形能，再以这种变形能驱动滑轮组转动，在滑轮组转动的过程中，使滑轮组中的冲击轮撞击压电振子产生电荷成电能的热电转换结构，为小型余热发电技术提供一种新思路。1.2热发电技术研究概述目前，低等级热能收集技术目前主要以下四种[3]：温差发电、热释电发电、热磁发电和热弹性发电，如图1.3所示。图1.3四种低等级热能收集技术1.2.1温差发电1.温差发电的原理温差发电技术是一种利用半导体材料的热电效应直接实现热能向电能转换的热发电技术[4]。热电材料的热电效应是由电流引起的可逆热效应和由温差引起的电效应的统称[5]，具体包括Seebeck效应、Peltier效应、Thomson效应，如图1.4所示。温差发电主要是采用了塞贝克（Seebeck）效应，1821年，德国物理学家Seebeck发现在两种不同金属构成的回路中，如果两个接头处的温度不同，其周围就会出现磁场[6]。进一步实验之后，发现回路中有一电动势存在，这种现象称为Seebeck效应[7]，这种现象是温差发电技术的理论基矗热电材料可分为两类：一类是以空穴迁移为主的P型热电材料，另一类是以电子迁移为主的N型材料[8-9]。基于塞贝克效应的温差发电需要将匹配的P型、N型热电材料串联成回路，在冷热端温差的作用下，构成的这种回路可以将热能转换为电能。温差发电原理图如图所示1.5（a）所示，空穴和电子分别在P型和N型引脚中从热侧流向冷侧，导致电流在外部电路中由P型引脚流向N型[10]，这种单个PN节的
第1章绪论3发电功率很低，温差发电模块是将多个单级PN节通过串并联的方式集成为一个整体，如图1.5（b）所示。图1.4热电效应：（a）Seebeck效应（b）Peltier效应（c）Thomson效应（a）（b）图1.5温差发电2.温差发电的研究现状温差发电技术已经广泛应用于航空航天、工业余热、汽车尾气排放的热能以及柔性及微小型温差热电等各个领域。ThermaWattTM蜡烛供电的TEG热能收集装置将蜡烛的热能转换为电能，如图1.6所示。尺寸为89mm95mm95mm的ThermaWatt,在接近室温时，输出能量达到500-800mW。图1.6蜡烛供电的TEG热能收集装置
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于形状记忆合金的热水发电装置设计[J]. 卢润生,吴尧,阴贺生,李勇,张泽平,李为昌,宋杰. 机械. 2016(10)
[2]温差发电技术及工业余热温差发电系统设计研究[J]. 鲍亮亮,韩永辉,张永忠,孟庆森. 兵器材料科学与工程. 2015(02)
[3]我国形状记忆合金研究与应用的新进展[J]. 杨冠军,杨华斌,曹继敏. 材料导报. 2004(02)
[4]热电材料的研究进展[J]. 沈强,涂溶,张联盟. 硅酸盐通报. 1998(04)
[5]形状记忆合金的本构关系[J]. 王健,沈亚鹏,王社良. 上海力学. 1998(03)
[6]NiTi形状记忆合金丝焊接性研究[J]. 牛济泰,张忠典,王蔚青,阚国丽,常朴怀,王儒润,白奉臣,赵岩. 材料科学与工艺. 1995(04)
[7]形状记忆合金与热双金属片特性的比较[J]. 程饴萱,陈继勤,李铭棠. 材料科学与工程. 1989(02)
博士论文
[1]中低温余热回收利用温差发电系统研究[D]. 王统才.华东理工大学 2017
[2]风致压电振动能量收集与存储技术研究[D]. 庞帅.北京林业大学 2016
[3]磁力耦合压电电磁复合俘能器发电特性研究[D]. 徐振龙.哈尔滨工业大学 2016
[4]压电式高频疲劳试验机的设计理论与试验研究[D]. 接勐.吉林大学 2013
[5]LNG冷能利用与低温半导体温差发电研究[D]. 贾磊.中国科学技术大学 2006
[6]激光焊接NiTi合金的性能研究[D]. 阎小军.大连理工大学 2006
[7]压电式粘滑精密运动机构驱动理论与实验研究[D]. 华顺明.吉林大学 2005
[8]形状记忆合金及其复合材料的本构关系[D]. 朱祎国.大连理工大学 2002
硕士论文
[1]形状记忆合金与压电复合型热发电原理与方法研究[D]. 刘超.吉林大学 2018
[2]柔性热释电单元器件设计与制备[D]. 李航.电子科技大学 2018
[3]悬臂梁压电陶瓷发电装置发电性能研究及结构优化[D]. 李小强.兰州理工大学 2016
[4]液压掘岩机的优化设计和分析研究[D]. 赵会敏.合肥工业大学 2015
[5]工业余热和汽车尾气废热温差发电回收利用技术的研究[D]. 鲍亮亮.太原理工大学 2015
[6]基于热释电、摩擦电效应的纳米发电机及其应用的研究[D]. 冷强.重庆大学 2015
[7]形状记忆合金海洋温差能发电装置的研究[D]. 杨军.浙江大学 2015
[8]形状记忆合金驱动的发电机构研究[D]. 高祥.中北大学 2014
[9]医用NiTi丝的焊接工艺与性能研究[D]. 张怡.西安石油大学 2014
[10]成品规格≥2.0mm的冷复双金属工艺研究[D]. 徐亮.东北大学 2011
本文编号：3442573
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