（车辆工程专业论文）应用多元车载电源的轻度混合动力系统分析.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：巫巡日期：丝i l 臣：至昼 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：氲碰导师( 签名) ： 摘要 汽车，被誉为“改变世界的机器，它的出现极大地方便了人类的生产和生 活。然而时至今日，其日益凸显的巨大的能源消耗和污染物排放( 汽车的能源 消耗占世界石油产量的一半以上，同时也是c 0 2 等温室气体排放的主要源头) ， 已经开始限制它的发展。为了应对这个危机，设计能耗小、排放低的传统汽车 及新能源汽车是目前汽车研发的主要方向。 汽车本质上是一种小巧的，可移动的能量转换装置。受限于此，很多已在 电力中广泛采用的低品位能源，如太阳能，风能，余热等，因为效率低下且转 换装置规模巨大，一直难以在汽车上应用。不过当今半导体科技的发展使这种 应用变得可行，以热电模块和光伏电池为代表的新型元器件，体积小巧且能量 转换效率可观。本文开创性地提出了基于低品位能源利用的多元车载电源系统， 将排气废热温差发电、太阳能光伏发电作为汽车能源的一部分，并建立基于此 的轻度混合动力系统。 本文在详细研究半导体热电模块及光伏电池的原理、结构及输出特性之后， 基于温差发电和太阳能发电的基本原理，并结合工程应用，对模型做适当调整 或简化。然后在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立各子系统的通用仿真模型。然后 在c r u i s e 中建立轻度混合动力系统模型。最后通过c r u i s e 中的m a t l a ba p i 接 口，将子模型与整车模型连接。并定义不同行驶工况及扩展工况进行联合仿真， 分析系统各部件的工作状态和整车性能。并通过与原轻度混合动力系统的对比， 验证汽车性能的改进。 本文在研究中，综合实验测定与仿真计算的方法，结合半导体的能量转换 机制和现有的混合动力汽车技术，应用c r u i s e 与m a t l a b s i m u l i n k 联合仿真的 手段，提出了可行的系统集成方案，并对其性能进行了详尽的测试和仿真分析。 结果表明，新的混合动力系统性能改进比较可观，有较大的发展潜力。 同时，在搭建仿真模型过程中，充分考虑了模型的通用性，可修改性，可 移植性。除了完成本文所涉及的仿真分析工作外，还为进一步的改进和其他应 用预留了接口。因此本文所建立的仿真平台为今后更深入地研究排气废热温差 发电和太阳能光伏发电在汽车上的应用提供了一定的技术准备。 关键词：温差发电，光伏发电，轻度混合动力，低品位能源 a b s t r a c t a u t o m o b i l e ，k n o w na s ”t h em a c h i n et h a tc h a n g e dt h ew o r m ”，b r i n g sg r e a t f a c i l i t yo fh u m a nl i f e a n dp r o d u c t i o n y e tn o w a d a y s ，i t s i n c r e a s i n g l ye n e r g y c o n s u m p t i o na n dp o l l u t a n te m i s s i o n ( a u t oe n e r g yc o n s u m p t i o na c c o u n t e df o rm o r c t h a nh a l fo ft h ew o r l d so i l , w h i c hi sa l s ot h em a i ns o u r c eo fg r e e n h o u s eg a s ) h a s r e s t r i c ti t sd e v e l o p m e n t i no r d e rt od e a lw i t ht h ec r i s i s , t od e s i g nal o we n e r g y c o n s u m p t i o na n de m i s s i o nv e h i c l eb e c o m e st h em a i nd i r e c t i o no fa u t o m o b i l e r e s e a r c h a u t o m o b i l ei s e s s e n t i a l l yas m a l l ，p o r t a b l ee n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c e , w h i c h r e s t r i c t st h eu s a g eo ft h ew i d e l yu s e dl o wg r a d ee n e r g ys u c ha ss o l a re n e r g y , w i n d e n e r g y , w a s t eh e a tb e c a u s eo f t h ei n e f f i c i e n ta n dh u g es w i t c h i n gd e v i c e h o w e v e r ，t h e d e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g ym a k e si tp o s s i b l et oa p p l yt h et e c h n o b g y t oc a r s f o re x a m p l e ，t h o s es m a l ls i z e dt h e r m o e l e c t r i cm o d u l e sa n d p h o t o v o l t a i cc e l l s h a v eh i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , t h em u l t i p l ev e h i c l ep o w e rs u p p l y s y s t e mb a s e do nl o wg r a d ee n e r g yi sp r o p o s ec r e a t i v e l y , a n dam i l dh y b r i ds y s t e m b a s e do nt h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o na n ds o l a rp h o t o v o l t a i c p o w e rg e n e r a t i o n i s c r e a t e d t h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e dt h et h e o r y , s t r u c t u r ea n do u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so f s e m i c o n d u c t o rt h e r m o e l e c t r i cm o d u l ea n dp h o t o v o l t a i cc e l l si nd e t a i l s ，t h e na d j u s t e d a n ds i m p l i f i e dt h em o d e la c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n , s o l a r p o w e rg e n e r a t i o na n dp r o j e c ta p p l i c a t i o n t h e ne s t a b l i s h e dt h eg e n e r a ls i m u l a t i o n m o d e lu n d e rm a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n ta n dm i l dh y b r i ds y s t e mm o d e lu n d e r c r u i s e ，f i n a l l y , c o n n e c tt h es u b - m o d e la n dt h ec a rm o d e lt h r o u g ht h em a t l a ba p i i n t e r f a c eu n d e rc r u i s e ，d e f m ed i f f e r e n tr i d i n gc o n d i t i o na n de x p a n s i o nc o n d i t i o nf o r j o i n ts i m u l a t i o n , a n a l y s i ss y s t e m sc o m p o n e n t sw o r k i n gc o n d i t i o na n dv e h i c l e p e r f o r m a n c e ，t h e nv a l i d a t ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tt h r o u g ht h ec o n t r a s tw i t ht h e o r i g i n a lm i l dh y b r i ds y s t e m t h i sp a p e ri n t e g r a t e se x p e r i m e n tm e n s u r a t i o na n ds i m u l a t i o nm e t h o d , a sw e l la s c o m b i n a t i o nw i t hs e m i c o n d u c t o re n e r g yc o n v e r s i o nm e c h a n i s ma n dt h e e x i s t i n g h y b r i dc a rt e c h n o l o g y , u s em a t l a b s i m u l i n ka n dc r u i s ej o i n ts i m u l a t i o nm e t h o d ， p u t s f o r w a r daf e a s i b l es c h e m eo fs y s t e mi n t e g r a t i o n ，a n a l y s i sa n dt e s t si t s p e r f o r m a n c ep e r f o r m e dt h er e s u l ts h o w st h a tt h en e wh y b r i ds y s t e mp e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n ti se f f e c t i v ew h i c hi so fg r e a td e v e l o p m e n tp o t e n t i a l m e a n w h i l e ，i nt h ep r o c e s so fb u i l d i n gs i m u l a t i o nm o d e l ，t h em o d e l su n i v e r s a l ， s e x u a l , p o r t a b i l i t yh a sb e e nf u l l yc o n s i d e r e d i na d d i t i o nt oc o m p l e t i n gt h es i m u l a t i o n a n a l y s i sw o r k , t h i sm o d e lh a s a no u t s i d ei n t e r f a c ef o rf u r t h e ri m p r o v e m e n ta n do t h e r a p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h es i m u l a t i o np l a t f o r me s t a b l i s h e d i nt h i sp a p e ri s p r e p a r e d f o rf u t u r er e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no ft h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o na n ds o l a rh e a t g e n e r a t i o ni nv e h i c l e s k e y w o r d s ：t h e r m o e l e c t r i c ，p h o t o v o l t a i c ，m i l dh y b r i d ，l o wg r a d ee n e r g y r i 目录 第l 章绪论l 1 1 研究背景l 1 2 温差发电技术在汽车上的应用现状2 1 3 太阳能在汽车上的应用前景3 1 4 轻度混合动力汽车的发展现状5 1 5 本课题的研究内容和意义6 第2 章排气废热温差发电系统7 2 1 温差发电的基本原理7 2 1 1 赛贝克效应7 2 1 2 珀尔帖效应8 2 1 3 汤姆逊效应9 2 1 4 焦耳效应1 0 2 1 5 开尔文关系式1 0 2 1 6 傅立叶效应1 0 2 2 温差发电系统分析。1 1 2 2 1热电偶1 l 2 2 2 热电模块。1 4 2 2 3 温差发电器1 4 2 2 4 排气废热温差发电系统。1 6 2 3 温差发电器的仿真模型1 6 2 3 1h z - 2 0 热电模块16 2 3 2 废热通道19 2 3 - 3 温差发电器2 0 第3 章太阳能光伏发电系统2 l 3 1 光伏发电的原理2 l 3 2 光伏发电系统分析2 2 3 2 1 光伏电池单元2 2 3 2 2 光伏电池模块2 4 3 2 3 车载光伏发电系统2 5 3 3 仿真模型2 6 i v 3 3 i 模型简化2 6 3 3 2s u n g e ns g m d 系列l 8 0 w 2 8 第4 章i s g 轻度混合动力系统3l 4 1i s g 轻度混合动力的定位。3 l 4 1 1 混合动力3l 4 1 2 轻度混合。3 3 4 2 i s g 轻度混合动力的工作原理3 4 4 2 1组成结构3 4 4 2 2 功能分析3 5 4 2 3 控制策略3 6 4 3 仿真模型3 6 4 3 1 仿真平台简介3 6 4 3 2 i s g 轻度混合动力系统仿真模型3 9 第5 章系统集成与仿真分析4 3 5 1 工况4 3 5 1 1行驶工况4 3 5 1 2 扩展工况。4 4 5 2 子系统测试4 5 5 2 1 温差发电系统4 5 5 2 2 光伏发电系统4 7 5 2 3 i s g 混合动力系统4 9 5 3 联合仿真5 3 5 3 1 系统集成5 3 5 3 2 日间工况仿真5 4 第6 章补充和总结5 6 6 1 最大功率点追踪5 6 6 2i s g 和c v t 的集成5 7 6 3 全文总结5 8 6 4 不足与展望5 9 致 谢6 0 参考文献6l v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 将低品位能源利用综合应用于新能源汽车是一种新的设想。本课题的研究 共涉及三个的核心内容：温差发电技术、光伏发电技术以及轻度混合动力技术。 目前国内外已有机构做过相关领域的研究工作，但未见将它们集成在一起的研 究成果。本章旨在综合分析这些技术领域的研究现状和发展前景，并初步论证 本文所提出的方案的可行性，明确本课题研究的意义、内容和方向，为下一步 的研究工作做准备。 1 1研究背景 汽车，被誉为“改变世界的机器”。我们为其修筑的沥青、水泥道路纵横交 错；维修点、加油站星罗棋布；无数辆汽车的振动和起停标志着现代社会的生 活节奏。另一方面，汽车工业又被称为“工业的工业，凭借其庞大的产业链成 为巨大的经济驱动力，机械制造、钢铁、石油、玻璃、橡胶等产业都在一定程 度上为汽车工业服务。同时，汽车制造将人类在生产活动中的高效组织，密切 协作推向了极致。从汽车产业中诞生的流水线作业，标准化制造以及科学缜密 的资源管理，使我们得以见证现代工业的奇迹。经过一百余年的发展，汽车早 已不是最初那个简陋的装有轮子的机器，而是综合多个领域尖端科技的，复杂 的，精密的工业品。汽车产业不断催生和应用着新思想，新技术，新工艺，这 个过程会在未来更频繁地发生。 然而，并非所有汽车带给我们的东西都令人欢欣鼓舞，仅仅在技术方面， 其巨大的能源消耗和污染物排放，就令人难免为汽车产业的前景担忧。预计到 2 0 2 0 年，世界汽车的保有量将达到1 2 亿辆，届时汽车用油将占世界石油总产量 的6 2 。日益严峻能源和环境形势，将汽车产业推到了风口浪尖。为了应对这 个危机，各种新能源汽车纷纷出现，清洁能源在汽车燃料中的比重逐渐增大。 汽车本质上是一种小巧的，可移动的能量转换装置，受限于此，很多已在电力 中广泛采用的低品位能源，如太阳能，风能，余热等，一直难以在汽车上应用。 大量的发动机余热随着尾气排出，晴日里源源不断的太阳能却只能增加车载空 调的功耗 武汉理工大学硕士学位论文 不过半导体科技的发展使我们看到了利用这些的可行性，以热电模块和光 伏电池板为代表的新型元器件，其能量转换效率已经非常可观。如能合理地应 用到汽车的电源系统中，不仅能满足车载用电设备的需要，还可以辅助提供动 力，进一步改善发动机的效率。 1 2温差发电技术在汽车上的应用现状 早在1 8 2 3 年，法国物理学家t j s e e b e c k 就发现了金属中的热电效应：在 此后的一百多年中，热电材料仅限于金属，热电效应也只用来实现信号的转换。 现在广泛使用的热电偶测温计就是基于这个原理。 2 0 世纪5 0 年代，前苏联物理学家a b r a ml o f f e 发现了半导体的热电效应 ( t h e r m o e l e c t r i ce f f e c t ) i t 。相比金属，特定成分的半导体材料转换效率更高， 但仍不足家用氟利昂压缩机制冷效率的l 3 。尽管如此，由于热电器件的一系列 优点，如结构紧凑、无噪声、无污染、无运动部件、可靠性高等，使得热电材 料与器件在有特殊要求的高科技领域得到了应用。例如，美国于1 9 7 7 年发射的 旅行者号飞船上，无线电系统、罗盘等科学仪器就是由1 2 0 0 多个热电发电器提 供能源的。 进入2 l 世纪以来，热电材料的研究取得了突破性进展。其转换效率已经能 够满足驱动电机做机械功的需要。加之日益紧张的资源、环境形势，国外多家 汽车企业和科研机构都开始了将之应用于汽车上的研究。国外在这方面取得了 很大进展的公司及研究机构主要有美国能源部、b s s t 、h i - z 、v i g e o n 、b m w 、 g m 、f o r d 、t o y o t a 以及俄亥俄州州立大学等。国外主要研究成果见表1 1 ： 表1 1 国外将温差发电应用于汽车的研究成果 2 武汉理工大学硕士学位论文 在国内，车载温差发电系统的研究主要集中在几所高校，包括武汉理工大 学、华南理工大学、同济大学以及清华大学。 武汉理工大学目前己成功搭建基于某1 6 l 排量4 缸发动机的车载温差发电 试系统验台架，并进行了大量的实验研究工作。 华南理工大学通过研究排气管内气流的热交换形式和热电回路的基本定律， 提出了一种全新的车载温差发电系统结构，采用内置的网状轴向热电模块和多 级散热结构，冷源直接接入发动机的水冷系统，这样做可以有效地增大温差、 提高热电模块的集成度，并降低对热电材料热导率值的要求，强化流场、温度 场、速度场、电场的耦合，充分利用气流中的余热，该结构尚处在理论研究阶 段，未见关于其具体结构的详细介绍。【2 j 同济大学在车用温差发电系统的研究中，应用热力学基本理论分析了半导 体温差发电器件的工作性能，给出了在内外均不可逆情况下温差发电器的输出 功率及转换效率的数学表达式，并以此为基础讨论了发电器在工作条件变化时 的输出性能变化，其成果在理论具有较大的指导意义。i 3 j 清华大学则根据温差发电系统的需要，并考虑温差发电器件的原理及性能， 建立能够精确测定温差发电装置输出性能的测试平台，并借助这个平台进行了 一系列的温差发电装置的性能测试，测试结果能够较精确地反映温差发电装置 的热电性能。【4 j 1 3太阳能在汽车上的应用前景 科学家在18 3 9 年发现，有些半导体材料在被光照射时，其不同部位之间会 产生电位差，这种现象被称为“光生伏特效应”( p h o t o v o l t a i ce f f e c t ) ，即“光伏 3 武汉理工大学硕士学位论文 效应”。1 9 5 4 年，美国贝尔实验室首次制成单晶体硅太阳能光伏电池，标志将太 阳光能转换成电能的实用光伏发电技术诞生。1 5 j 太阳能在汽车上的应用前景：一是在传统汽车上光伏电池可用作辅助电池， 因为光电转换的效率和输出功率都比较有限，其做功能力仅限于带动空调里的 电扇，而不能带动功率高达千瓦的空调压缩机，更不能作为汽车的驱动力；二 是可以建造太阳能充电站，比如在屋顶上成规模地安装太阳能板，以光伏发电 的方式将太阳能收集起来给电动汽车充电；三是太阳能制氢：太阳能发电，电 解水制氢，并将氢气储于罐中，给燃料电池汽车加氢，在汽车行驶过程氢和氧 合重新获得电，为汽车提供动力。 太阳能天窗作为一种比较成熟的技术，已经开始应用在一些高级轿车上， 如奥迪a 8 ，大众辉腾以及奔驰e 级车。其基本原理是在炎热的夏天，利用装于 车顶的百叶窗形式的太阳能光伏电池板发电，驱动车内空调系统。夏季时最多 可使车内温度降低到2 0 。【6 1 太阳能作为汽车的动力源，其技术还不够成熟。受限于太阳能光伏电池的 低转化效率，低能量密度，高成本，太阳能替代燃油作为汽车的主要动力源在 目前来讲还不能推广使用。因此当前太阳能在汽车领域应用的研究重点和热点， 还是集中在辅助供电以及混合动力上。【7 8 j 太阳能汽车的诞生可以追溯到1 9 7 8 年，当时英国研制成功世界上第一辆太 阳能汽车，不过其动力性能比较有限，最高车速仅为1 3 k m h 。2 0 0 3 年在澳大利 亚举行的太阳能汽车大赛上，最终的冠军是荷兰的“n u n ai i ”太阳能汽车，它 创造了1 7 0 k m h 的太阳能汽车最高车速记录，并且用时3 0 小时5 4 分钟持续行 程3 0 1 0 k m 。但是，由于太阳能较分散，对环境依赖程度高以及太阳能收集装置 的高成本、低效率，将太阳能作为主要动力的太阳能汽车一直处于概念阶段。 美国g m 公司休斯电子研究所( g mh u g h e se l e c t r o n i c s ) 最近研制出一种高 性能的太阳能汽车，名为“萨恩雷撒( s u n r a y s e r ) ”，其能够时速高达9 6 5 k m h 。 该车的供电系统由多达7 2 0 0 个光伏电池单元构成，其光电转换效率达到较高的 1 6 5 。这是一种薄膜型的光伏电池，厚度仅为几毫米。这种电池总共覆盖了汽 车表面8 3 7 m 2 的区域，可以1 5 0 v 的电压输出最高达到l k w 功率。该车宽2 m , 长6 m 。，重量不足1 0 0 k g 。在光照充裕的白天，仅靠太阳能提供动力便可达到 7 2 4 k m 的时速。为了弥补太阳能极限功率的不足，该车还装有一个动力电池系 统，在对汽车功率要求较高的场合，如加速或爬坡时，和太阳能光伏电池一起 驱动汽车。 4 武汉理工大学硕士学位论文 瑞士的“太阳能的士”5 0 的动力来自装载了高效太阳能光伏电池片的挂车， 其动力心脏z e b r a 电池可以保证汽车在没有阳光的情况下行驶3 0 0 0 k m 。 其另5 0 的动力需求在太阳能发电站补充。 1 4轻度混合动力汽车的发展现状 按照电能所占在汽车驱动力所占比例的不同，混合动力分为轻度混合，中 度混合和重度混台【9 j 。其中轻度混合被认为是最适合在轿车上实现的混合方式。 轻度混合动力有两种常见的类型：i s g ( i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ) 和b s g ( b e l t d r i v e ns t a r t e rg e n e r a t o r ) 。两种形式在量产车型中都有采用。 本田i n s i g h t 是最具代表性的i s g 轻度混合动力车型，该车自1 9 9 9 年1 1 月 开始在日本推出。其动力系统包括一台作为主动力源的1 0 l 稀薄燃烧汽油机( 空 燃比为2 6 ：1 ) 和提供辅助动力的1 0 k w i s g 电机。2 0 0 1 年1 2 月，混合动力版主 力车型c i v i ch y b r i d 投放日本市场。三年后，装有i s g 系统和可变气缸系统的 v 6 发动机和的a c c o r dh y b r i d 进入北美市场。 奔驰s m a r tm h d 是一种混合度更低的轻度混合动力车型( 也称为微混合动 力) ，其驱动系统由一台功率为5 2 k w1 0 l 汽油发动机和b s g 电动机组成。其 m h d 微混合动力驱动系统则利用皮带驱动大功率电机为车辆的电子系统提供电 力同时也作为发动机的启动机，可以在驾驶员松开制动踏板的瞬间就启动发动 机，并且启动更平顺。 2 0 0 6 年1 月奇瑞汽车有公司承担的和“b i s g 轿车关键技术与核心零部件 研发”和“i s g 混合动力轿车用汽油发动机研发两个项目通过验收。奇瑞i s g 和b s g 轻度混合动力系统主要参数见表1 2 。 东风风神$ 3 0b s g 也是一款已经量产的轻度混合动力车。在红灯或驻车时， 其搭载的整车控制器会根据传感信号，判断车辆状态和驾驶意图，实现发动机 运转停止，消除怠速状态，当结束制动状态时，通过采用b s g 启动发电一体电 机，使发动机瞬间达到怠速转速，使车辆快速启动，从而达到节油环保的目的。 能在不降低原有动力性的情况下，实现城市工况节油率1 1 2 ，提高整车经济性， 降低排放。 有消息称，国家相关部委正在制定一项实施混合动力汽车技术的政策，要 求国内新生产的乘用车全部安装b s g 混合动力系统，以达到节油降耗目的。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 2 奇瑞i s g 和b s g 主要参数 1 5本课题的研究内容和意义 研究表明，汽车排气废热约占发动机总能量的4 0 1 1 0 j i ，对于一台i 8 l 排 量的汽车，其动力输出约为7 5 k w ，而排气所携带的能量高达1 0 0 k w 。另一方面， 地表每平方米区域接收的太阳能平均约为1 0 0 0 w ，按目前最高的光电转换效率 ( 3 7 ) 计算，可为汽车输出约3 7 0 w 的电能。以上除可满足汽车上多种电器的 用电需求外，还可辅助提供动力，改善汽车的燃油经济性。 利用以排气废热和太阳能为代表的低品位能源，是新能源汽车研究领域的 全新构想。本文将结合半导体的能量转换机制和现有的混合动力汽车技术，做 以下一些开创性工作： 1 1 研究温差发电及光伏发电的基本理论和系统结构，并以实验数据为基础， 建立两者的仿真模型； 2 1 确定轻度混合动力汽车的系统结构和布置方案，并搭建其动力系统模型， 3 1 提出可行的，将低品位能源应用于混合动力汽车的系统集成方案：并在 联合仿真环境下完成系统模型的构建。 4 ) 考虑子系统的输入输出特性，对标准的行驶工况加以扩展。据此对集成 多元电源系统的混合动力汽车模型进行仿真分析，并与原车进行对比。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章排气废热温差发电系统 本章介绍的核心内容是温差发电技术。首先介绍温差发电的基本原理，这 涉及到多种物理学效应。进而从最小的温差发电单元( 热电偶) 开始，对温差 发电系统进行多个层次上的分析。最后使用选定的结构方案和元器件参数，建 立温差发电系统的仿真模型。 2 1温差发电的基本原理 塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应是温差发电的三种基本效应，其中 电和热的转化是可逆的。三者的关系又开尔文关系式给出。此外，两种不可逆 的效应：电学中的焦耳效应和传热学中的傅立叶效应，也与温差发电过程密切 相关。这些共同构成了温差发电研究的理论基础【1 2 , 1 3 , 1 4 ，下面依次进行介绍。 2 1 1 赛贝克效应 赛贝克效应，又称为热电第一效应。其原理表述如下：在p 、n 两种不同导 体构成的闭合回路中，如果两个结点所处的温度不同( 死t d ，回路中就会有 电动势存在，这种电动势就称为赛贝克电动势或温差电动势1 5 1 。其原理示意图 如图2 一l 。 死 ： pn 石入 图2 1 赛贝克效应示意 当两结点间的温度差在允许的范围内时，电动势可由下式给出： l ，= n ( 一疋) ( 2 _ 1 ) 式中，y 回路产生的电动势，单位：v ； ，瓦两个结点处的温度，单位：k 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 我们定义口蕾n 为p 、n 两种材料的相对塞贝克系数，单位v k 。当温差 a t = 死一瓦在一定范围内时，存在以下线性关系。 = 等( 2 - 2 ) 另一方面，相对赛贝克系数口口n 由p ，n 两种材料的赛贝克系数之差： 唧n = 唧一。通常唧为正，a n 为负。所以赛贝克系数的数值及其正负取决于 所用导体p 与n 的热电特性，与温差大小和方向无关。常见热电材料的赛贝克 系数见表2 1 。 表2 1 常见热电材料的赛贝克系数 2 1 2 珀尔帖效应 珀尔帖效应，又称为热电第二效应，是与塞贝克效应相反的现象 1 6 , 1 7 1 。将两 块不同材料做成的导体联接成电偶，接上直流电源，当电偶中有电流通过时， 发生能量转移，一个结点放热变热，另一个结点吸热变冷，进而产生温差。如 图2 2 。 d 千。十十 介 pn i ， ， qq 图2 - 2 珀尔帖效应示意 8 武汉理工大学硕士学位论文 实验表明，一个结点处是吸收还是放出热量，由电流的方向决定。发热 ( 制冷) 量的大小与电流的大小成正比。吸放热的速率q p 与回路中的电流成 正比。 q p = ，( 2 - 3 ) 式中，q p 接点处的换热量( 单位：w ) ； n 比例常数，称为珀尔帖系数( 单位：w a ) ： 卜回路中的电流( 单位：a ) 。 2 1 3 汤姆逊效应 汤姆逊效应，又称为热电第三效应。当电流通过具有温度梯度的均匀导体 时，导体将吸收或放出热量。反之，如果均匀导体存在温度梯度，其冷热端问 将产生电动势。该效应称为汤姆逊效应，产生的热称为汤姆逊热f 1 引。其原理示 意图如图2 - 3 。 图2 3 汤姆逊效应示意 实验结果表明，单位长度导体吸收或放出的汤姆逊热与其中的电流和温度 梯度的乘积成正比。 仉= t i a t ( 2 4 ) 式中，q t 导体吸收或放出的热量( 单位：w ) ； r 汤姆逊系数，与温度和材料性质有关( 单位：v k ) ： 卜一通过导体的电流( 单位：a ) ；。 a t - - 温度差( 单位：k ) 。 汤姆逊系数的单位与塞贝克系数相同，都是v k 。当电流方向和温度梯度的 方向一致时有吸热现象，故规定此时的汤姆逊系数t 为正值，反之为负值。汤姆 逊系数的特点与塞贝克系数和珀尔帖系数不同，其只涉及一种材料的性质。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 4 焦耳效应 焦耳效应是一种电路的基本效应：稳定电流通过导体时产生热量，且单位 时间内产生的热量等于电流平方乘以导体的电阻，即 仍= i z r ：1 2 譬 ( 2 5 ) 式中，q j 单位时间内由焦耳效应产生的热量，即焦耳热( 单位：w ) ； 卜一通过导体的电流( 单位：a ) ； r 导体的电阻( 单位：n ) ； s 导体的横截面积( 单位：m 2 ) 卜一导体的长度( 单位：m ) ； p 导体的电阻率( 单位：q - m ) 。 2 1 5 开尔文关系式 汤姆逊效应是导体两端有温差时产生电动势的现象，帕尔帖效应是带电导 体的两端产生温差的现象，两者结合起来就构成了塞贝克效应。三个热电基本 效应之间有着密切的联系。 在由不同种导体够成的回路中，如果接点温度保持在不同值，则回路中将 会有不可逆的热电流和热传导出现，进而出现前文讲到的可逆的珀尔帖效应和 汤姆逊效应。以及不可逆的焦耳电热效应。由热力学的基本定律可以证明：这 些可逆的电热效应和塞贝克电动势之间存在一定的关系式开尔文关系式【l9 】： =堑dctpn=rp-r,o 、 p r t2 亍1 r2 丁( z - o ) d r r 。 唧n = 1 + 一印 ( 2 - 7 ) ( 2 6 ) 式为开尔文第一关系式，( 2 7 ) 式为开尔文第二关系式。开尔文关系式 被称为热电效应的基本关系式。由开尔文第二关系式可以看出热电回路中的塞 贝克热电效应等于珀尔帖热电效应和汤姆逊热电效应的代数和。 2 1 6 傅立叶效应 傅立叶效应是传热学中的基本效应，定义为单位时间里沿均匀介质某一方 向传导的热量正比于垂直这个方向的面积和该方向上温度梯度的乘积，即 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 q k = 下( 靠一瓦) = 枷- 丁( 2 8 ) 式中，q k 由傅立叶效应产生的热量( 单位：w ) ； k ，k 导体的热导率和总热导( 单位：w m - i f l ，w k ) ； 热端温度( 单位：k ) ； 疋冷端温度( 单位：k ) ； 卜导体的横截面积( 单位：m 2 ) ； 卜一导体的长度( 单位：m ) 。 2 2温差发电系统分析 2 2 1 热电偶 1 2 0 前文提及的两种不同的热电材料构成的回路，通常称为热电偶，是基本 的温差发电单元。如图2 - 4 所示，热电偶两端是用来绝缘的陶瓷片。 图2 - 4 单个热电偶示意 先考虑单个热电偶，对所涉及的参数作如下定义： c t p n = 脚一口，热电偶的总赛贝克系数； a t = 一，模块两端的温差； w t r g = 一砀，p n 结两个节点的温差； 武汉理工大学硕士学位论文 q h ，q c ，两个表面上的热交换； 屯，回路中的电流； r l ，负载电阻； 依据赛贝克效应和直流电路中的欧姆定律，有以下关系： ，l = a p n ( t n j 一，) 一= = 一 尺f n + 尺上， 尺t 7 l + 尺l ( 2 - 9 ) 其中，r i n 是热电偶的内阻，由下式得出； 2 0 h 尺饥= ( 2 - l o ) l e g 其中，j d 热电材料的电阻率( 单位：n - m ) ； | i 单个热电偶臂的长度( 单位：m ) ； a l e g 热电偶臂的截面积( 单位：m 2 ) 。 由图2 5 可以看出，陶瓷片两端也存在较小的温差，依傅里叶效应，存在以 下关系： q h = ( 一t h ，) k ( 2 - 1 1 ) q c = ( ，一) k ( 2 - 1 2 ) k 为陶瓷片的热导( 单位：w k ) 。为了使丁t e g 最大化，尽量接近a t ，k 应 尽可能大。 同时，由于珀尔帖效应、傅立叶效应以及焦耳热效应的影响，根据能量守 恒，上式中q h 、q c 可表示为： 锄= 口p 屯+ o ( 一) 一o 5 i l 2 r i n o q c = 口p r 屯- i - o ( 一码) + 0 5 i2 r i n o ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 式中，o 是热电偶的热导，由下式得出： 尬竹：_ 2 a , 4 1 e g ( 2 15)1 尬。= - 一 t 2 。 i l a 为热电材料的热导率( 单位：w m k ) 。 通过上面的推导，可以得到单一热电偶的等效模型，如图2 5 。热电偶模型 由热回路和电回路两部分组成。热回路左侧直线反应的是傅里叶效应的传热， 右侧的两个闭环分别考虑了珀尔帖热和焦耳热。电回路中将热电偶等效为一个 电压源，其电动势由赛贝克效应产生。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 t h q h ： g p n t h j | l 弋扩 0 5 i l 2 a r i 。) 图2 - 5 早一热电偶的等效模型 由式( 2 - 9 ) ，( 2 - 11 ) ，( 2 - 1 2 ) ，( 2 1 3 ) ，( 2 - 1 4 ) 可得： 一) k = 塑号掣+ 。( 一) 一o s 嗍篙期2 倍。回 ( 一) k = 塑穹掣+ 。( 嘞一码) + o s 嗍鞘2 弘。乃 将式( 2 一1 3 ) 和( 2 1 4 ) 相加，并考虑a r t e g = t j 一啊i l ：o a t = 一t c ，可得： 蝇e g2 鬲礤1 3 , 盯兰丽盯邓竹 ( 2 1 8 ) 其中，= ( + ) 2 ，是模块两端温度的平均值。 很明显，a t t e g 一弋争啦叫沸l f tc i。d c , 由c 1 l 蚰i 却m0 c 2 1 3 c 2一 1 一l i广 r 。 图2 1 5 温差发电器仿真模型 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章太阳能光伏发电系统 本章介绍的核心内容是光伏发电技术。首先简要介绍光伏发电的基本原理。 进而依次分析光伏电池单元，光伏电池组件，光伏发电系统的数学模型或结构 组成。并对前面得到的理论数学模型，针对工程需要进行必要的简化，最终依 据到简化后的数学模型建立光伏发电系统的仿真模型。 3 1光伏发电的原理 光伏电池利用光伏效应将光能转化成电能的装置。其由特定的半导体材料 制成，主要依靠覆盖在其表面的薄膜状半导体薄片实现光电转换。当光照射到 光伏电池表面时，一部分被反射，其余透过半导体或被吸收( 光伏电池一般具 有较低的反射率) 。被吸收的光能部分转换为热能，使电池温度升高。另一部分