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

发布时间：2017-09-02 22:39

  本文关键词：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

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【摘要】：进入21世纪以来,在国际社会大环境下,我国社会呈现蓬勃向上的冲击力,但污染问题仍然制约人类进一步发展。生产制造类企业生产过程存在大量未被利用的热能,利用温差发电技术可以对低品位能源进行有效的回收利用。本论文依据现有的温差发电技术原理及其应用,对温差发电模块进行了理论建模分析和实验探究,通过分析具体案例总结可以提高温差发电效率的方法途径。在理论建模方面,本文在热电理论的基础上,就当前温差发电模型中存在的忽略外界热交换效益或者忽略汤姆逊效应等问题,建立了优化条件下的数学模型。在建模时考虑到外界温度和换热系数、陶瓷面的接触电阻和热阻,并使用有限容积法划分材料容积最终优化温差发电组件电偶臂的温度,最终得到将外界因素影响考虑在内的温差发电组件数学模型。后续环节采用ANSYS仿真软件建立三维模型并进行热电耦合分析,分析单个热电组件单元的因素对热电特性的影响。仿真优化温差发电组件,分析接触效应对热电转换效率的影响。结果表明在文中的冷热端温度下,当不考虑接触效应时,最大热电转换效率分别为：9.67%、9.11%、8.40%,当考虑接触效应时最大转换效率分别减小到8.33%、7.87%、7.11%,效率减小了大概13%-15%。通过实际项目仿真分析,证明了温差发电技术在余热回收系统中的可行性。在实验探究方面,本文设计了循环水系统作为冷却系统的温差发电实验装置。实验对比了不同的冷却方式并得到循环水冷为最佳冷却方式。实验系统中,通过改变工况进行对温差发电组件的研究分析,获得了可靠数据。通过对负载变化和温差变化下温差发电组件输出电压、输出功率和热电转换效率的变化曲线总结一系列改变外界条件下温差发电组件的运行规律。通过实验数据和利用公式计算得到数据的对比,验证了结论的正确性。在实验过程中还分析了不同连接方式下温差发电系统的内阻特性、电势特性和输出特性等,得出了通过内阻判断实际应用中选择串联或者并联的结论,为在工业生产余热回收系统中大量使用合适的温差发电组件提供了理论指导和某些适用的可行方法。
【关键词】：温差发电组件 热电耦合 ANSYS仿真 热电转换效率 优化设计
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM913
【目录】：

• 摘要8-9
• ABSTRACT9-11
• 符号说明11-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 课题背景与意义12-15
• 1.1.1 我国能源状况分析12-13
• 1.1.2 新能源开发与回收利用13-15
• 1.2 温差发电技术概述15-19
• 1.2.1 温差发电技术的发展历程15-16
• 1.2.2 温差发电技术的原理概况16-18
• 1.2.3 国内外研究状况概述18-19
• 1.3 论文研究的主要内容和结构19-20
• 1.4 本章总结20-21
• 第二章 温差发电技术基础理论21-28
• 2.1 温差发电系统21-22
• 2.2 温差发电基本效应22-26
• 2.2.1 塞贝克效应22-23
• 2.2.2 帕尔贴效应23-24
• 2.2.3 汤姆逊效应24-25
• 2.2.4 焦耳效应25
• 2.2.5 傅里叶效应25
• 2.2.6 热电效应的相互关系—开尔文关系式25-26
• 2.3 材料优值系数26-27
• 2.4 本章总结27-28
• 第三章 温差发电模块性能参数28-31
• 3.1 开路电压28
• 3.2 伏安特性28-29
• 3.3 模块内阻29
• 3.4 模块输出功率29
• 3.5 发电模块转换效率29-30
• 3.6 本章总结30-31
• 第四章 温差发电模块系统建模与仿真研究31-52
• 4.1 发电单元一维数学模型31-37
• 4.1.1 理想情况下的数学模型31-33
• 4.1.2 温差发电模块数学模型优化33-37
• 4.2 ANSYS热电耦合分析37-38
• 4.2.1 ANSYS耦合场分析简介37
• 4.2.2 ANSYS热电耦合37-38
• 4.3 ANSYS仿真优化分析38-44
• 4.3.1 接触效应的影响38-41
• 4.3.2 优值系数的影响41-42
• 4.3.3 发电组件优化设计42-44
• 4.4 实例分析44-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第五章 温差发电系统实验平台设计与性能分析52-65
• 5.1 实验系统组成设计52-55
• 5.1.1 实验核心模块组成设计52-53
• 5.1.2 实验系统组成设计53-55
• 5.2 温差发电系统参数测试55
• 5.3 结果分析55-64
• 5.3.1 不同外界条件下结果分析56-61
• 5.3.2 不同冷却方式性能分析61
• 5.3.3 不同连接方式性能分析61-64
• 5.4 本章小结64-65
• 第六章 结论与展望65-67
• 6.1 本文工作总结65-66
• 6.2 未来工作展望66-67
• 附录67-68
• 参考文献68-72
• 致谢72-73
• 攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况73-74
• 附件74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 林玉兰;吕迎阳;梁广;陈忠;;基于半导体温差发电模块的锂电池充电装置[J];电源技术;2006年01期

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本文编号：781340