半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)及其性能研究.pdf

1、“十三五”時(shí)期，我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略也從量的增長(zhǎng)轉(zhuǎn)向質(zhì)的提升，而發(fā)展綠色、可再生能源以及提高能源的有效利用是全面提高能源質(zhì)量的有效保障和主要技術(shù)手段。半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)是一種將低品位熱能直接轉(zhuǎn)換成為高品質(zhì)電能的有效方法，具有無(wú)噪音、壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，因此半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)在低品位能源方面的關(guān)鍵技術(shù)研究具有重要意義。本文根據(jù)我國(guó)低品位熱源的產(chǎn)生特點(diǎn)和利用現(xiàn)狀，采用數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行性能分析與測(cè)試，重點(diǎn)討論

2、溫差發(fā)電組件的分析模型、基板對(duì)組件傳熱特性以及在輸出特性方面的影響;同時(shí)，考慮熱電單元之間空隙的空氣流動(dòng)傳熱問題，建立接近實(shí)際工況的數(shù)值模型，探究熱電單元的結(jié)構(gòu)、尺寸等因素對(duì)溫差發(fā)電組件性能的影響，并比較不同散熱外場(chǎng)對(duì)溫差發(fā)電系統(tǒng)輸出功率、轉(zhuǎn)換效率的影響。本研究對(duì)全面提升半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)的性能和應(yīng)用將產(chǎn)生一定的影響。本課題的主要內(nèi)容如下:
　　1.采用熱阻網(wǎng)絡(luò)分析、對(duì)比分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法，對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件冷端采用強(qiáng)制空氣冷

3、卻和強(qiáng)制液體冷卻下各部分熱阻的分布，以及對(duì)組件熱流密度、輸出功率、輸出電壓的影響。針對(duì)熱源的性質(zhì)（恒熱流密度和恒溫）、使用環(huán)境以及負(fù)載特性的需求;并結(jié)合工程的經(jīng)濟(jì)性而設(shè)計(jì)合適的溫差發(fā)電組件結(jié)構(gòu)以及溫差發(fā)電系統(tǒng)的散熱外場(chǎng)，為進(jìn)一步優(yōu)化半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)各部分熱阻奠定理論基礎(chǔ)。
　　2.為分析溫差發(fā)電組件性能，提出一種新型的半導(dǎo)體溫差發(fā)電模型。在溫差發(fā)電過程的數(shù)值模擬中考慮熱電單元之間封閉腔體內(nèi)空氣傳熱的影響。同時(shí)基于有限元法數(shù)值計(jì)算

4、方法，利用ANSYS數(shù)值仿真軟件對(duì)不同電臂對(duì)數(shù)和不同型號(hào)溫差發(fā)電模型的溫度場(chǎng)、電壓場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)分析。對(duì)比三種不同橫截面積的熱電單元的溫差發(fā)電模塊的性能，得出熱電單元的輸出電壓、功率以及能量轉(zhuǎn)換效率均隨著熱電單元的橫截面積的增大而提高，且熱電單元冷熱兩端的溫差越大提高幅度也越大，而溫差發(fā)電芯片內(nèi)阻則隨著電偶臂橫截面積的增大而減小;這些結(jié)果對(duì)熱電組件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和具體規(guī)律的全面研究有重要意義。
　　3.為

5、進(jìn)一步探究半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)的性能而建立半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)低壓輔助啟動(dòng)的穩(wěn)壓模塊。分析半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)的散熱外場(chǎng)、熱源溫度和負(fù)載電阻對(duì)熱電性能的影響。通過比較分析，對(duì)于恒溫?zé)嵩磸?qiáng)制液體冷卻方式相比于強(qiáng)制空氣冷卻方式更有利益于提高溫差發(fā)電模塊的輸出功率且高達(dá)24.4％。
　　通過對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電系能量轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)及方案優(yōu)化的研究表明，半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)作為一種低品位熱能回收利用技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在節(jié)能環(huán)保、分布式能