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半导体温差发电系统实验研究及其应用

作　者: 柳长昕
导　师: 李维仲
学　校: 大连理工大学
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 温差发电废热回收汽车尾气可再生能源热效率
分类号: TM619
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

废热是一种重要的能量来源,随着能源危机的日益严重,废热的回收利用日益成为了研究者关注的重点。根据美国能源部的报告,美国每年工业废热损失的能源相当于500万美国人一年的能源使用量,全球每年处理废热更是要耗费近百亿美元。半导体温差发电是一种绿色能源技术,是一种新型的发电方式。它具有无污染、无噪音、结构紧凑、免维护等很多优势。利用半导体温差发电技术对生活废热或汽车尾气进行能源回收利用并提高能源利用效率,许多国际知名的企业已经走在了研究的前沿。这种发电机可将生活废热或汽车尾气中的热能转化成电能,节省能源、提高利用效率的同时可降低有害排放,是未来可回收能源技术升级的一个重要方向。本文结合欧盟新能源项目的规划与资助,以增强我国在温差发电领域的研发与应用能力为宗旨,在提出了一种新的家用温差热电同时供电供热系统,并通过实验验证了其可行性的同时,结合国外先进汽车制造企业有限公开的资料与数据,又进一步提出了一种新的对利用汽车尾气废热进行回收利用的温差发电装置,并采用理论模拟计算与实验研究相结合的方法,对该温差发电系统进行了详细的测试与验证。首先,建立了单级温差发电和两级温差发电的有限时间热力学模型,并确定了理论分析与实验验证中所要考察的反应温差发电系统性能的主要参数。与实验数据对比验证模型的合理性后,该温差发电系统有限时间热力学模型可用于性能提高与优化的仿真与计算。其次,对尾气换热情况进行了计算,其计算结果表明适当的强化传热手段,如在管内增加翅片,是必要的。在对几种不同类型翅片进行模拟的基础上,选择了锯齿翅片。接着,针对不同导热油厚度,对安装于汽车尾气管外部的温差发电装置温度场分布进行了模拟,并根据模拟结果,确定了最合适的导热油厚度,进而最后确定装置的外部尺寸。然后,作为进一步提升系统性能的主要研究方向,将热管引入到了两级温差发电装置中。并针对汽车尾气的参数设定,对其进行了设计计算与验证计算。第五,在前期计算与模拟的基础上,搭建了温差发电实验台,并分别对单级温差发电、两级温差发电和采用热管的两级温差发电系统进行了测试,并结合制造成本做了简单的经济性分析。结果表明,虽然两级温差发电装置的成本回收年限较高,但其净效率达到了5.35%,比单级温差发电系统提高了32%。理论模拟与实验结论都验证了本文所提出的应用于汽车尾气的温差发电装置的可行性。最后,介绍了本文提出的可利用多种生活废热或绿色能源做为热源来发电或加热生活用水的家用温差热电同时供电供热系统,并通过实验验证了其可行性及能够大幅提高系统热效率的特性。同时又为进一步开展汽车尾气的温差发电研究奠定了理论及实验基础。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
CONTENTS  11-14
图表目录  14-17
主要符号表  17-22
1 绪论  22-32
  1.1 研究背景及意义  22-23
  1.2 半导体温差发电技术的发展历程  23
  1.3 半导体温差发电在节能领域的国内外研究进展及应用  23-30
    1.3.1 家用废热回收领域  23-25
    1.3.2 汽车废热回收领域  25-30
  1.4 本文的主要研究内容  30-32
2 半导体温差发电基本原理及有限热力学分析  32-50
  2.1 Seebeck效应  32-33
  2.2 半导体温差发电装置的性能参数  33-36
    2.2.1 半导体温差热电装置的发电效率  34-35
    2.2.2 半导体温差发电装置的输出功率  35-36
  2.3 新型高效温差热电材料的发展  36-41
    2.3.1 超晶格  37-38
    2.3.2 等离子体处理  38
    2.3.3 高温段的Z值移峰  38-39
    2.3.4 分段热电材料  39-40
    2.3.5 纳米复合材料  40
    2.3.6 纳米管和纳米线  40-41
    2.3.7 柔性薄膜热电材料  41
  2.4 汽车尾气温差发电装置的有限时间热力学模型  41-49
    2.4.1 单级汽车尾气温差发电装置的有限时间热力学模型  42-44
    2.4.2 两级汽车尾气温差发电装置的有限时间热力学模型  44-47
    2.4.3 换热面积对模型中参数的影响  47-49
  2.5 本章小结  49-50
3 尾气的换热计算及温度场模拟  50-70
  3.1 尾气的换热计算  50-56
    3.1.1 尾气废热计算  50-52
    3.1.2 尾气换热方程  52-53
    3.1.3 换热分析  53-56
  3.2 翅片的选择  56-62
  3.3 尾气管温度场模拟及导热油层厚度选择  62-68
  3.4 本章小结  68-70
4 新型汽车尾气温差发电装置的设计  70-81
  4.1 温差发电装置的设计  70-72
  4.2 温差发电片的选择  72-74
  4.3 实验系统的设置  74-79
    4.3.1 热端  74-76
    4.3.2 热电转换部分  76-77
    4.3.3 冷端  77-79
    4.3.4 数据的采集  79
    4.3.5 绝缘与隔热保温  79
  4.4 本章小结  79-81
5 新型汽车尾气温差发电装置的实验研究  81-102
  5.1 单级温差发电装置的实验  81-86
    5.1.1 实验结果与讨论  81-83
    5.1.2 系统优化  83-85
    5.1.3 经济性分析  85-86
  5.2 两级温差发电装置的实验  86-92
    5.2.1 实验结果与讨论  86-90
    5.2.2 系统优化  90-91
    5.2.3 经济性分析  91-92
  5.3 采用热管的两级温差发电装置的实验  92-100
    5.3.1 热管参数及设计计算  92-97
    5.3.2 实验结果与讨论  97-100
  5.4 本章小结  100-102
6 家用温差热电同时供电供热系统的实验研究  102-113
  6.1 系统设置与参数  102-107
  6.2 实验结果与性能分析  107-112
  6.3 本章小结  112-113
7 结论与展望  113-115
  7.1 本文主要创新点  113
  7.2 研究结论  113-114
  7.3 研究展望  114-115
参考文献  115-124
附录A 排气管直径比较  124-125
附录B TEG1-71-1.4-1.2-250型温差发电片性能曲线  125-126
攻读博士学位期间科研项目及科研成果  126-127
致谢  127-128
作者简介  128-129

半导体温差发电系统实验研究及其应用

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