大型天然气发动机温差发电系统的研究

【摘要】：温差发电是一种全固态的能量转换方式,发电过程无需进行化学反应,所以具有无噪声、无振动、无磨损消耗、无介质泄漏、重量轻、体积小、便于布置安装、工作寿命长等诸多优点。已经广泛应用与航空航天、军事、长距离通讯中继、偏远地区供电等特殊领域中。随着半导体温差材料技术和生产工艺的进步,在工业废热回收、太阳能和地热能发电等应用领域必将得到更多应用。当前内燃机作为主要的动力机械,在生产生活中发挥着重要的作用。但是受限于内燃机工作原理和内部结构,并不能将燃料燃烧的热能有效的转化为机械能,大量能量以排气废热的形式消耗掉。在这种情况下,基于热电效应的温差发电技术能够将发动机排气废热能转化为电能,进行回收利用。 当前在我国市场上也有相对成熟的半导体温差发电模块产品,本文针对某型半导体温差发电模块进行了一系列的研究。首先研究分析模块基本的热电性能参数、对温差模块的热传递参数进行了分析计算,掌握了单个模块的热力学特性和温差环境下的开路电压、模块内阻以及发电功率、发电效率等。为半导体温差发电系统的组建提供了理论基础。设计了基于MATLAB的温差热电模块功率计算软件。 采用在油气田生产时应用的大型天然气发动机排气废热作为热源,组建了基于半导体温差模块的阵列发电系统。对半导体温差阵列系统回收内燃机排气废热能量进行发电的相关性能指标进行了实验研究和定量分析计算。 利用电子技术设计了基于单片机的热端温度自动检测和控制模块,为温差发电系统提供更为稳定的温差环境。这不仅能够提高半导体温差发电系统的输出功率和发电效率等关键特性参数,同时可防止温差模块的热端温度超过模块能够承载的工作温度造成损坏。对于半导体温差阵列回收排气废热发电的电能,设计了相应的电源稳压控制电路,使用铅酸蓄电池作为储能部件,对温差发电系统回收的电能进行存储。 最后,针对作为热源的大型天然气发动机排气消声器,设计合理的半导体温差发电阵列系统安装结构；提出了建立温差发电系统的设计要点和相关方法,总结了能够有效评定温差发电系统工作性能的参数指标。 【关键词】：温差模块 阵列 温差发电 单片机 温度自动控制
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM913
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 引言11-13
• 1.1.1 环境污染与能源危机11-12
• 1.1.2 新能源开发与能源回收利用12-13
• 1.2 半导体温差发电概述13-20
• 1.2.1 热电效应与温差发电13-14
• 1.2.2 温差发电技术在国际上的研究与应用14-19
• 1.2.3 温差发电技术在国内的研究与应用19-20
• 1.3 本文的研究内容与技术路线20-22
• 第2章 温差发电的理论基础22-31
• 2.1 基本热电效应22-26
• 2.1.1 塞贝克效应22-24
• 2.1.2 帕尔贴效应24-25
• 2.1.3 汤姆逊效应25-26
• 2.1.4 热电效应中各系数之间的关系26
• 2.2 焦耳效应与傅里叶效应26-27
• 2.2.1 焦耳效应26-27
• 2.2.2 傅里叶效应27
• 2.3 热电材料的优值系数27-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 温差发电模块性能分析与计算31-52
• 3.1 温差发电模块的性能31-32
• 3.2 温差发电模块传热计算32-48
• 3.2.1 温差发电模块基本参数介绍33
• 3.2.2 温差发电模块热端温度分析33-36
• 3.2.3 温差发电模块热端温度分布与功率计算36-41
• 3.2.4 温差发电模块功率计算的编程与校验41-43
• 3.2.5 温差热电模块热流量分析计算43-44
• 3.2.6 温差发电模块发电效率计算44-48
• 3.3 温差发电模块对发动机排气废热的能量利用率48-51
• 3.3.1 内燃机排气能量计算48-49
• 3.3.2 温差模块阵列对发动机排气能量的利用率计算49-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第4章 温度自动控制模块与电源控制模块设计52-64
• 4.1 温度自动控制模块52-59
• 4.1.1 温度自动控制模块设计的必要性52-53
• 4.1.2 温度自动控制模块的设计思想53
• 4.1.3 温度自动控制模块的器件选择和电路设计53-57
• 4.1.4 温度自动控制模块的控制软件设计57-59
• 4.2 电源稳压控制模块59-62
• 4.2.1 电源稳压控制模块设计的必要性59
• 4.2.2 电源稳压控制模块设计思想59-60
• 4.2.3 电源稳压控制模块器件选择和电路设计60-61
• 4.2.4 电源稳压控制模块的控制软件设计61-62
• 4.3 本章小结62-64
• 第5章 温差发电系统实验及性能分析64-74
• 5.1 实验方案与实验内容64-65
• 5.1.1 半导体温差发电阵列系统64
• 5.1.2 性能测试方案64-65
• 5.2 半导体温差发电阵列热电性能实验研究65-73
• 5.2.1 温差发电阵列电压输出特性研究65-67
• 5.2.2 温差发电阵列的内阻与输出功率67-68
• 5.2.3 温差发电阵列输出功率特性影响因素研究68-70
• 5.2.4 温差发电阵列的发电效率实验分析70-73
• 5.3 本章小结73-74
• 第6章 温差发电系统安装设计74-80
• 6.1 温差发电系统的安装设计74-77
• 6.1.1 排气管形状与温差热电模块阵列的安装74-75
• 6.1.2 温差发电阵列冷端温度控制方式的选择75
• 6.1.3 温差发电阵列安装结构设计75-77
• 6.2 建立温差发电系统的要点和评价指标77-79
• 6.2.1 建立温差发电系统的要点77-78
• 6.2.2 温差发电系统性能评价指标78-79
• 6.3 本章小结79-80
• 总结与展望80-82
• 主要结论80
• 发展与展望80-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-86
• 攻读硕士学位期间发表学术论文86-87
• 附录87-89

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