半導體溫差發(fā)電系統(tǒng)及其性能研究.pdf

1、“十三五”時期，我國能源發(fā)展戰(zhàn)略也從量的增長轉(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手段。半導體溫差發(fā)電技術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，具有無噪音、壽命長、綠色環(huán)保等特點，因此半導體溫差發(fā)電系統(tǒng)在低品位能源方面的關鍵技術研究具有重要意義。本文根據(jù)我國低品位熱源的產(chǎn)生特點和利用現(xiàn)狀，采用數(shù)值仿真與實驗相結(jié)合的方法對半導體溫差發(fā)電系統(tǒng)進行性能分析與測試，重點討論

2、溫差發(fā)電組件的分析模型、基板對組件傳熱特性以及在輸出特性方面的影響;同時，考慮熱電單元之間空隙的空氣流動傳熱問題，建立接近實際工況的數(shù)值模型，探究熱電單元的結(jié)構、尺寸等因素對溫差發(fā)電組件性能的影響，并比較不同散熱外場對溫差發(fā)電系統(tǒng)輸出功率、轉(zhuǎn)換效率的影響。本研究對全面提升半導體溫差發(fā)電系統(tǒng)的性能和應用將產(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)絡分析、對比分析和實驗測試的方法，對半導體溫差發(fā)電組件冷端采用強制空氣冷

3、卻和強制液體冷卻下各部分熱阻的分布，以及對組件熱流密度、輸出功率、輸出電壓的影響。針對熱源的性質(zhì)（恒熱流密度和恒溫）、使用環(huán)境以及負載特性的需求;并結(jié)合工程的經(jīng)濟性而設計合適的溫差發(fā)電組件結(jié)構以及溫差發(fā)電系統(tǒng)的散熱外場，為進一步優(yōu)化半導體溫差發(fā)電系統(tǒng)各部分熱阻奠定理論基礎。
　　2.為分析溫差發(fā)電組件性能，提出一種新型的半導體溫差發(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。同時基于有限元法數(shù)值計算

4、方法，利用ANSYS數(shù)值仿真軟件對不同電臂對數(shù)和不同型號溫差發(fā)電模型的溫度場、電壓場進行數(shù)值仿真計算，并對仿真結(jié)果進行三維穩(wěn)態(tài)分析。對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)果對熱電組件的結(jié)構優(yōu)化和具體規(guī)律的全面研究有重要意義。
　　3.為

5、進一步探究半導體溫差發(fā)電系統(tǒng)的性能而建立半導體溫差發(fā)電模塊測試系統(tǒng)，設計低壓輔助啟動的穩(wěn)壓模塊。分析半導體溫差發(fā)電系統(tǒng)的散熱外場、熱源溫度和負載電阻對熱電性能的影響。通過比較分析，對于恒溫熱源強制液體冷卻方式相比于強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24.4％。
　　通過對半導體溫差發(fā)電系能量轉(zhuǎn)換關鍵技術及方案優(yōu)化的研究表明，半導體溫差發(fā)電技術作為一種低品位熱能回收利用技術具有獨特的優(yōu)勢，在節(jié)能環(huán)保、分布式能