低品位热源半导体温差发电器性能研究毕业设计

CENTRALSOUTHUNIVERSITY本科生毕业论文（设计）题目低品位热源半导体温差发电器性能研究学生姓名指导教师副教授学院能源科学与工程学院专业班级热动完成时间2008年6月10日I低品位热源半导体温差发电器性能研究摘要温差发电是一种新型的发电方式，它是利用塞贝克效应将热能直接转换为电能。以半导体温差发电模块制造的温差发电器，只要有温差存在即可以发电。温差电效应是半导体温差发电的理论基础，本文在对其基本原理进行简单说明的同时对半导体温差发电的工作原理作了清晰的阐述。在此基础上，首先对单一发电模块的性能进行了测试，分析其输出功率随负载的变化规律；然后依照温差发电的基本原理结合铝电解槽散热孔结构特点设计搭建了余热利用实验装置，并在实验室搭建仿铝电解槽散热孔的结构实验测试系统，对实验装置的电源输出电压、功率等进行采集、测试，总结出一系列的相关规律，从中推导出了最佳的输出功率；最后通过所分析的实验结果对实验装置进行优化，使实验装置能提供稳定和足够功率的电能，最终达到能源再利用。关键词温差电；发电模块；性能；测试IIRESEARCHOFSEMICONDUCTORTHERMOELECTRICGENERATORINLOWGRADEHEATENERGYANDTEMPERATUREDIFFERENCEABSTRACTTHERMOELECTRICPOWERGENERATIONISANEWTYPEOFPOWERGENERATION,ITISTOUSESEEBECKEFFECTSEFFECTWILLBEDIRECTLYCONVERTEDTOELECTRICHEATTHERMOELECTRICPOWERGENERATIONMODULETOTHESEMICONDUCTORMANUFACTURINGTHERMOELECTRICGENERATOR,ASLONGASTHEREISATEMPERATUREDIFFERENCECANBEPOWERGENERATIONTHERMOELECTRICEFFECTSEMICONDUCTORTHERMOELECTRICPOWERGENERATIONISTHETHEORETICALBASIS,THEPAPERINITSBASICPRINCIPLEOFASIMPLEDESCRIPTIONOFTHESEMICONDUCTORTHERMOELECTRICPOWERGENERATIONATTHESAMETIMETHEWORKMADECLEARTHEPRINCIPLESEXPOUNDEDONTHISBASIS,FIRST,GIVEASINGLEGENERATIONTHEPERFORMANCEOFTHETESTING,ANALYSISWITHITSPOWEROUTPUTCHANGESOFTHELOADANDTHEN,INACCORDANCEWITHTHEBASICPRINCIPLESOFCOOLINGHOLESWITHALUMINIUMCELLSTRUCTUREDESIGNSTRUCTURESUSINGTHEWASTEHEATEXPERIMENTALDEVICE,ANDINTHELABORATORYSTRUCTURESIMITATIONALUMINIUMCELLSTRUCTUREOFTHECOOLINGTESTINGSYSTEM,THEEXPERIMENTALDEVICESPOWEROUTPUTVOLTAGEANDPOWERTOCARRYOUTTHECOLLECTION,SUMMINGUPASERIESOFRELEVANTLAWS,DERIVEDFROMTHEBESTPOWEROUTPUTFINALLY,THEANALYSISOFTHERESULTSOFTHEEXPERIMENTALDEVICEOPTIMIZEDSOTHATTHEEXPERIMENTALDEVICECANPROVIDEASTABLEANDADEQUATEELECTRICPOWER,ANDULTIMATELYACHIEVINGENERGYREUSEKEYWORDSTHERMOELECTRIC；POWERGENERATIONMODULE；PERFORMANCE；TESTIII目录摘要及关键词IABSTRACTANDKEYWORDSII1概述111半导体温差发电的研究现状和发展动态1111能源危机和环境污染1112新能源的开发2113温差发电的发展趋势312课题研究的来源及主要研究内容42温差发电的基本效应521塞贝克效应522珀尔帖效应623汤姆逊效应724焦耳效应825温差电材料热电性能的表征926半导体温差发电的工作原理93单一温差发电模块性能研究1231测试装置1232空载下发电模块性能的研究1333可变负载下发电模块性能的研究14331输出电压性能特点14332输出电流性能特点15333输出功率性能特点164余热发电实验装置的设计1941概述1942余热发电装置的设计20421高导热系统20422散热冷却系统23423发电模块26IV424电能引出系统285余热发电装置性能研究3051系统性能测试3052系统结构优化326结论与展望3561结论3562展望35参考文献37致谢38附录余热发电实验装置装配示意图（CAD，4）铝箱结构示意图（CAD，4）通风板、盖板、固定板结构示意图（CAD，4）散热片结构示意图（CAD，4）风管示结构意图（CAD，4）系统装配结构示意图（CAD，4）11概述11半导体温差发电的研究现状和发展动态热电直接转换技术是研究热能和电能直接转换的科学，由于转换过程中热端和冷端存在一定的温差，故又称为温差电技术。温差电技术根据所利用的原理不同，又可分为温差发电和温差电制冷两大分支。后者在近20年取得了明显进展，应用领域不断扩大，尤其在民用方面，由于传统制冷工质氟利昂对大气臭氧层的破坏，温差电制冷技术由于其对环境无污染的优点引起极大关注，据估计，近几年来的商用温差电致冷器市场以每年高速率递增13。而温差发电能够促进能源结构的多元化，缓解能源危机，其具有很强的稳定性且无污染，如放射性同位素温差电源，但温差发电技术相对来说发展较慢，主要集中在军事、航天等领域，目前正争取在民用上取得突破；而且其技术主要被美、日、欧等发达国家所掌握，国内尚处于刚起步阶段。本文仅以温差发电作为研究对象。111能源危机和环境污染无论是19世纪还是20世纪，世界范围内的经济增长与物质文明的进步，都和科学技术发展对能源的开发利用密切相关。随着世界范围内人口的增长，人类对于能源的需求量也随之迅速增加，大约每5年能源消耗量就增长一倍。而自然界中存在的常规能源，包括石油、天然气和煤炭的数量是十分有限的，有资料显示上述能源的动态储量保证年限分别是33年、39年和83年2，即使是新发展的核能原料铀的保证年限也仅有47年。况且，对这些能源的取用都己经对地球的生态环境造成了很大的破坏，引起了很多棘手的问题。比如，目前运行的火力发电厂的废气排放，以及汽车尾气里的二氧化碳的持续排放等，引起了日趋严重的温室效应，科学家们担心，如果温室效应不减弱的话，南极和北极的冰山会逐渐融化，海平面逐渐上升，会导致很多小岛和近海陆地被淹没，那些只能在低温坏境下生长的生物，也会有灭绝的危险；而工农业生产及交通运输的燃烧废弃物氧化硫、氧化氮等酸性气体转化为酸雨，造成了巨大的危害，这种危害包括森林退化，湖泊酸化，鱼类死亡，水生生物种群减少，农田土壤酸化、贫痔，有毒重金属污染增强，粮食，蔬菜、瓜果大面积减产，建筑物和桥梁损坏，文物面目皆非；而一些核电站发生的核辐射、核泄露也给人类带来了巨大的灾难，1986年乌克兰切尔诺贝利核电站发生的重大核泄漏事故给当地居民和抢险人员带来了严重而深远的灾难。自“911“事件之后，人们对2核电站的安全保护问题也提出了疑问，甚至连国际原子能机构也认为，保护核电站免受空中袭击基乎是难以做到的，许多国家都在重新评价核电发展问题3。因此，解决环境和能源问题己经成为刻不容缓的艰巨任务。112新能源的开发社会经济的持续发展必须以充足的能源作保障。自本世纪70年代以来，在以原油价格暴涨为标志的“能源危机”之后，人们一方面调整能源结构，不断加大对新能源的开发利用；另一方面采用新技术、新工艺，不断提高能源的利用率，特别是加强对自然界普遍存在的低品位热源（地热、太阳能、海洋温差能及工农业余热废热等）合理利用，取得了不错的效果，并且很多已经走向了大规模的实际应用4。这里所说的低品位热源，主要有两个特点一是热源温度较低；二是热源温度不稳定，这些特点决定了低品位热源是目前比较难以利用的一类热源。因此，如果能把这类热源有效利用起来，那对于节约能源、缓解能源危机具有举足轻重的作用。太阳能不需要开采及运输，不受任何国家的垄断，而且清洁无污染，是丰富易得的廉价能源。据估算，到达大气层上界垂直表面的太阳总辐射强度约为1353W/2M，每15分钟到达地球表面的辐射能量就能满足全世界一年的电力需求5。我国具有比较丰富的太阳能资源，根据全国700多个气象台站长期观测积累的资料表明，中国各地的太阳辐射全年总量大致在335X310840X310MJ/2M之间，其平均值约为586X210MJ/2M。据统计，每年中国陆地接收的太阳辐射总量，相当于24000亿吨标煤，全国总面积2/3地区年日照时间都超过2000小时5。尽管由于太阳能的分散性、间歇性及不稳定性给它的利用带来了一些技术难题，但太阳能的利用仍是科学家们研究的热点。另外，海洋中也蕴藏着巨大的能量，它每年吸收的太阳能相当于37万亿千瓦时，约为人类目前用电量的4000倍，而每平方千米大洋表面水层含有的能量相当于3800桶石油燃烧发出的热量。利用热带表层被太阳晒热的海水和800米深处的冷海水的温差发电已有应用实例6。此外，各行各业余热和废热的回收潜力十分巨大，而且，随着环保意识的加强以及对未来传统能源匮乏的担心，充分利用余热和工业废热的呼声己高于单纯经济性的考虑。尽管人类已经采取了各种各样的措施，未被利用的余热、废热资源仍然十分丰富，特别是温度较低的余热和废热。传统的能量转换方式许多是间接的。例如，在火力发电或核电站，化学能3或核能先经燃烧或核裂变转换成热能，再通过热机的工作转换成机械能，最后再由发电机转换成电能。在这些转换方式中，一般都涉及到热能和机械能的相互转换，因而有工质的循环和运动的机械部件。当连续发生一系列的能量转换时，总的转换效率为各转换过程效率的乘积。因此，从原则上说，间接转换不利于提高转换效率，应尽可能减少中间环节。能量直接转换就是指和传统方式相比减少了中间环节的能量转换方式。综合目前的研究情况来看，温差发电在这方面显示出了优越性，是将此类能源直接转换为可以直接利用的二次能源电能的有效途径之一。半导体温差发电器THERMOELECTRICGENERATOR，简称TEG是利用半导体的独特性质，将热直接转变成为电的一种发电机，如何利用热电效应直接把低品位的热源转换为电能的研究已成为一个热点问题。包括地热、太阳能、工业废热在内的低品位热源在我国是十分丰富的，如果借助热电器件来有效地利用这些低品位热源，把它转化为电能，这将产生良性循环，不仅可缓解日益严重的环境污染问题，而且必定具有很大的经济价值和社会效益。113温差发电的发展趋势长久以来，因为受到生产成本和转换效率的限制。温差电技术的应用一直局限于高科技和军事、航天领域。最近，由于化石能源数量的日益减少和化石能源燃烧所引起的环境恶化问题的通近，人们意识到利用低品位和废热进行发电对解决环境和能源问题的重要性46。随着工业化进程的加快，铝工业、化工厂、钢铁工业、水泥工业、造纸业、石油冶炼业等生产过程中产生的废气和废液成倍增加，其中的余热相当可观。内燃机、汽轮机等热机燃料所产生的能量50以上都以热能的方式被浪费了。铝工业、钢铁工业、水泥工业、各种气体压缩泵站以及垃圾焚烧的废热数量也是巨大的，工业余热的合理利用是解决能源短缺问题的一个重要方面。我国铝工业得到迅速发展，尤其是进入21世纪以后，我国电解铝年增长率超过20，产量跃居世界首位，2006年电解铝产量达到920万吨。铝电解槽是电解铝生产中的关键设备。近年来，随着铝电解工业水平的不断提高，电解槽容量或电流不断增大，电解槽单位面积的散热强度亦不断增大，进而导致侧部槽壳温度随之升高。目前铝电解槽侧部槽壳温度多在270300左右，大量的余热从此处直接排向空气中，不仅造成巨大的能量损失，而且恶化了电解车间的工作环境。如何有效利用电解槽侧部槽壳的余热，不断提高对有限能源的有效利用，实现企业的节能降耗与环境保护，是我国电解铝企业发展循环经济，4创建节约型企业，提高核心竞争力，追求生态环境和经济效益最佳化的主要措施之一。12课题研究的来源及主要研究内容本课题来源于铝电解槽余热利用技术的研究。由于温差发电器的发电效率的高低直接由温差大小决定，因此传统上主要将半导体温差发电器应用于中高温差温差大于300K领域，而在更广泛的低温差领域则应用的很少。随着能源供需矛盾的日趋突出，如何最大限度的提高能源的利用效率己成为世界各国普遍关注的问题。自然界中存在着无穷无尽的低温热资源，而人类生产生活过程中也时刻产生着大量的低温废热资源，但其中绝大部分都因难以再利用而直接进入了我们的环境之中。温差发电器可以将热能直接转化为电能，所以将其应用于废热发电，是提高能源利用率的有效途径。此外，应用废热发电也是温差发电器大规模应用的有利条件。本论文主要从以下几个方面进行研究（1）通过查阅国内外文献，对半导体温差发电技术的研究现状和发展动态作简单概述，并指出温差发电的发展趋势。（2）简述温差发电的基本原理，并进一步了解半导体温差发电器的基本原理。（3）对单一发电模块的性能进行研究，特别是对发电模块在不同负载下的输出电压、电流、功率特性的研究。（4）在对热电材料的研究、热电传感器性能整体设计和散热方式研究的基础上，结合铝电解槽散热孔的特点，设计制作余热发电装置，建立高导热系统、散热冷却系统、发电模块及电能引出系统。并在实验室搭建仿铝电解槽散热孔的结构实验测试系统，对设计的余热发电装置的性能加以实验分析，测试电源的输出电压、输出功率和工作时间等参数。（5）最后进一步优化余热发电器的整体性能和结构，使设计的余热发电装置的输出功率达到最佳值。利用铝电解槽余热发电，提供稳定和足够功率的电能，达到能源再利用是最终的目的52温差发电的基本效应当两种不同金属（或半导体）连接成一个闭合回路，将它们的接点放到两个温度不同的地方，则总的热电效应（又称温差电效应，THERMOELECTRICEFFECTS）将同时发生的五种不同效应塞贝克效应（SEEBECKEFFECTS）、珀尔帖效应（PELTIEREFFECT）、汤姆逊效应（THOMSONEFFECT）、焦耳效应（JOULEEFFECT）和傅立叶效应（FOURIEREFFECT）。其中，前三种效应是电和热可以相互转换的可逆效应。而另外两种效应即焦耳效应和傅立叶效应则是不可逆效应。这五种效应构成了温差电研究的理论基础。21塞贝克效应1821年，塞贝克发现在两种不同金属构成的回路中，如果两个接点处的温度不同，其周围就会出现磁场。进一步实验研究之后，发现了回路中有电动势存在，这种现象称为塞贝克效应7。这种电动势就称为塞贝克电动势，又称温差电动势。如图21所示，如果两种不同材料金属A和B两端节点上存在温差T时，则在金属两端便会产生电动势U，称为温差电动势。且温差电动势U是大小与结点间的温差T成正比。比例常数称为塞贝克系数也称温差电动势率，其数值如式（21）DTDUTUAB0LIM（21）其单位为KV/或KV/。塞贝克系数不是由一种材料，而是由一对材料形成的。由于所选的材料不同，电位的变化可以是正或负。因此，塞贝克系数不只是大小，而且符号也很重要。通常规定同一接头处，若电流由导体B流入导体A，则塞贝克系数AB就为负。事实上，对所有的材料都赋以塞贝克系数的绝对值就比较方便了。这样，热电偶由两种不同材料组成，则结点的塞贝克系数为两种不同材料绝对值的差。假设一种材料与某种塞贝克系数为零的理想材料结合在一起，就会得到这种绝对值。实际上，这种理想材料只能是处在极低温度下的超导体。在这样的温度6下进行测量并用外插法推算到室温。当对铜进行这样的测量时，得到室温下绝对塞贝克系数约为KV/28。由于这个数值在所希望的测量精度以内，所以通常都以铜为基准材料来测量，把所得的结果当作绝对塞贝克系数。若用A和B来表示材料1和2的绝对塞贝克系数，其数值可由开尔文关系式得到式（22）、（23）DTTA00（22）00DTTB（23）由这两种材料所制成的热电对其系数如式（24）ABAB（24）显然，当B为正，A为负时，AB最大。一般由纯金属构成的热电偶AB，的平均值约为20KV/；由合金材料构成的热电偶，AB的平均值约为50KV/而对于半导体材料，AB可达1000KV/9。22珀尔帖效应当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点JUNCTION上将产生吸热或放热现象（图22），这是法国人珀尔帖最早发现的，1834年首次发表于法国物理和化学年鉴上，因此这个现象称为珀尔帖效应10,11。实验表明，结点上的换热量（珀尔帖热）与电流成正比如式（25）IABQ（25）接点1TT接点2T导体A导体B导体BU图21塞贝克效应示意图7式中AB为一比例常数，称为珀尔帖系数。其单位为W/A，因而也可以用电压的单位V来表示。其定义可由开尔文关系式得到式（26）T（26）像塞贝克系数一样，珀尔帖系数也取决于一对材料，而不只是取决于其中一种材料。对AB也有一个规定符号的问题，这必须与AB一致。通常规定，当电流在接头1处由导体A流入导体B时，接头1从外界吸热接头2对外界放热，则珀尔帖系数为正，反之为负。23汤姆逊效应1854年，THOMSON发现当电流通过一个单一导体，且该导体中存在温度梯度，就会有可逆的热效应产生，称为汤姆逊效应12。（如图23）汤姆逊热与通过的电流，温度梯度的乘积成正比如式（27）DXDTIQ（27）式中Q每单位长度导体的吸热放热率，也称汤姆逊热；比例常数，称为汤姆逊系数；I通过导体的电流；T温差；材料A材料BI接点上吸放热取决于电流的方向图22珀尔帖效应示意图8DXDT/温度梯度。与周围环境的热交换温度梯度图23汤姆逊效应示意图如果习惯电流方向和温度梯度的方向一致时有吸热现象，则汤姆逊系数为正值。汤姆逊系数的特点是只涉及一种材料的性质。温差与冷端温度的比值越大，汤姆逊现象愈明显。因此，对于某些计算考虑汤姆逊热可以提高计算精度。一般因这种热交换是二级效应，它在电路的热分析计其中处于次要地位，可以忽略不计。汤姆逊效应的起因与珀尔帖效应相似，但在汤姆逊效应中，载流子的能量差异是由温度梯度引起的13。汤姆逊系数、塞贝克系数、珀尔帖系数间的关系如式28和29所示T（28）TDTD（29）24焦耳效应单位时间内由稳定电流产生的热量等于导体电阻和电流平方的乘积，如式（210）SLRIJQ2（210）9式中JQ由焦耳效应产生的热量，简称焦耳热；I通过导体的电流；R导体的电阻；L导体的长度；S导体的截面积。25温差电材料热电性能的表征通常用优值Z来衡量温差电材料的性能或其温差电转换效率。Z值可表示为2Z（211）或无量纲常数ZTTZT2（212）而热导率由晶格热导率L和电子热导率E两部分组成，即EL，故无量纲优值可写为下式表示ELTZT2（213）式中Z优值；T绝对温度；电导率；塞贝克系数；热导率；L洛伦兹数。从上式可以看出，较好的温差电材料必须具有较大的塞贝克系数，从而保证有较明显的温差电效应；同时应具有较小的热导率使热量能保持在接头附近；另外，还要电阻较小，使产生的焦耳热量较小。26半导体温差发电的工作原理最基本的半导体温差发电器件是由P、N两种类型不同的半导体温差电材料经电导率较高的导流片串联并将导流片固定于导热系数较小的陶瓷片上而成。图24所示的是一个最简单、最基本的温差电器件。当在器件的两端建立一个10温差，使高温端保持HT，低温端保持CT，根据塞贝克效应，将产生一个电压，若将回路中接入负载电阻，则将有电流流过，电流方向在N极中由冷端流向热端，P极中由热端流向冷端。整个过程中还伴随着其它可逆的热电应和不可逆的热效应。其作用就是一个发电器。从生产制造的难易程度和节省成本等方面考虑，半导体温差发电器由单个发电单元构成是不合理的，它的输出功率也很低。通过优化设计，在相同质量的半导体用料情况下，用串联的方式将若干较小的NP电偶连接起来，就形成了半导体温差发电模块14。在发电模块中，每一个电偶对都工作在相同的温差下，起着相同的作用，因此整个发电模块的输出功率就是单个NP电偶的输出功率乘以总数的对数。从结构上可以看出，半导体热电偶对在电路上是串联的，但在传热上却是并联的。借助热交换器等各种手段，使发电模块的两端维持在一定的温差下，电流就会源源不断的在回路中产生流动，这就是半导体温差发电器的基本工作原理。高温面低温面可变负载输出电流高温面温度低温面温度图24半导体温差发电示意发电原理可简述如下将两种不同类型（N型和P型）的半导体热电转换材料的一端结合并将其置于高温状态另一端开路并给以低温。由于半导体材料的体积电动势EV和接触电动势EC远比金属大，两种电动势的叠加在低温开路端形成了温差电动势。连接N和P型半导体材料的金属导电体，因其常以金属薄片的形式出现，故称之为“导流片”。根据中间导体定律，导流片的存在并不影响该单元所发出的温差电动势，或者说，从电路的特性方面来说，这种连接方式就像是两种半导体材料在接点直接接触一样。导热绝缘体的作用是将热量11在整个面上散开，一般用氧化铝陶瓷片等导热绝缘材料。将许多对P型和N型半导体热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，形成一个温差发电机。温差发电作为一种热电能量直接转换方式，与现行的机电变换系统相比，具有以下优点1转换过程中不需要机械运动部件，不需要附加的驱动、传动系统，因而结构紧凑，没有震动和噪声。2在有微小温差存在的条件下就能将热能直接转化为电能，通过选择合适的半导体材料类别，可以在很宽的温度范围内300K1400K利用热能。3安装、使用简便，控制和维护方便，可长期免维护工作。体积小，重量轻，使得携带、运输、保养便利。4寿命长，可靠性高。5安全无污染。热电材料无气态或液态介质存在，而且在能量转变过程中没有废水、废气等污染物的排出，是一种对环境近乎零排放的能源材料，这对于保护环境、改善人类生存与可持续发展具有重要的意义，是一种十分理想的电源。温差热电转换效率仍很低，目前一般不超过14，远低于普通发动机40的效率，所以在相当长的时间里温差发电还不能取代后者14。但温差发电具有的这些突出的优点，使得其在宇宙、深海能量利用，航天器持久能量供给以及核放射能量利用等高科技领域有十分重要的应用范围，也已经取得了一些成果。与此同时，虽然它在民用工业应用方面的研究才刚刚起步，但它在民用核工业、高炉余热发电、垃圾燃烧处理热能发电等能量再生利用、能量回收的众多民用科技领域必将发挥巨大作用。123单一温差发电模块性能研究单一温差发电模块是指仅由一块商用温差制冷片组成的发电器，单块发电模块性能特点的探讨和研究不仅是对温差发电的有益探索，而且也是研究多个模块组合时发电性能的必要基础，因此有必要进行较详细的实验研究。31测试装置本实验中选用型号为（TECL12706L）发电模块进行发电性能测试，如图31为测试发电模块性能原理图。对温差发电模块的性能研究主要是以加热器加热来模拟热源，热量通过铝片传入使半导体发电模块产生高温端，同时用风对散热片进行冷却使发电模块降温，产生温差，保温材料主要作用是防止热量散失。在可变负载下对发电模块的发电性能进行研究，分析其输出电压、电流及最佳输出功率等特性。（图32性能测试电路图）热量Q保温材料保温材料铝片半导体发电模块风扇冷面热面散热片图31性能测试原理图半导体发电模块铝片无纸记录仪AV220V图32性能测试电路图1332空载下发电模块性能的研究首先使实验装置无负载，在无负载的情况下对其温差、输出电压进行测量，其测量结果如表1所示表1无负载情况下温差与输出电压温差05101520253035404550输出电压/U0035045066091128158189211219温差556065707580859095100输出电压/U24225627930431934366379405422通过实验所测得的数据绘制温差电压曲线如图33所示温差电压曲线Y00419X00716005115225335445020406080100120温差/度输出电压/U图33温差电压曲线在无负载的情况下对实验装置进行测量，对所得的数据进行分析，结果如图32所示。从表中可以很明显的看出输出的电压与温差的之间为线性关系，其比例系数大约为0042，输出电压随温差的增大而不断升高。这充分说明在实验中尽量增大温差才能有较大的输出功率，但是在实际中，温差不可能无限大，必定有个最大值，所以输出的电压也应在一定范围内。1433可变负载下发电模块性能的研究在实验装置的输出端加上一个可变的负载使负载分别为05欧、1欧、15欧、2欧、25欧、3欧、4欧、5欧、6欧、7欧、8欧、9欧、10欧，并对其负载在不同温差下的输出电压、输出电流、输出功率进行测量与分析。331输出电压性能特点在不同温差下对可变电阻的输出电压测量结果如表2所示表2可变负载情况下温差与输出电压输出温差电阻电压1020304050608005欧00570108016102180256032403931欧0098019028038304470581068815欧0132025303730512060780912欧01590306045062207280959111125欧0180350520718084111112783欧02010391057407950936124714494欧0229044506610921081143616885欧02520490738101411915618926欧0274052507921091288169120277欧02880551083311541372181121588欧03057208721202144189222699欧0309059409112471491196423710欧03110615094127215422452通过所测得的数据绘制温差电压曲线图，如图34所示15温度电压曲线00003006009012015018021024027005欧15欧25欧4欧6欧8欧10欧负载电阻/欧输出电压/U10度20度30度40度50度60度80度图34温差电压曲线通过绘制的温差电压曲线图可以看出在负载不变时，温差逐渐增大其输出电压也随之增大，但负载电阻越小时这种变化越不明显。当温差较小时负载的变化对其输出电压影响较小，随着温差的增大，负载的变化对其输出电压影响约来越剧烈。当温差、负载达到最大时其输出电压也将达到最大值。332输出电流性能特点在不同温差下对可变电阻的输出电流测量结果如表3所示表3可变负载情况下温差与输出电流输出温差电阻电流1020304050608005欧0110210310420490630741欧00901802703704305706515欧0080160240330390510582欧0070150220303504705425欧00701302028032043053欧00601301802603040474欧00501101602202603504116续表35欧005009014020230310366欧0040080130180210280337欧004007011016019025038欧003007010140170230279欧00300600901301602102510欧003006009012015019024通过所测得的数据绘制温差电流曲线如图35所示通过绘制的温差电流曲线图可以看出在负载不变时，温差逐渐增大其输出电流也随之增大，但负载电阻越大时这种变化越不明显。当温差较小时负载的变化对其输出电流影响较小，随着温差的增大，负载的变化对其输出电流影响约来越剧烈。当温差达到最大值而负载达到最小值时其输出电流将达到最大值。温差电流曲线0010203040506070805欧15欧25欧4欧6欧8欧10欧负载电阻/欧输出电流/A10度20度30度40度50度60度80度图35温差电流曲线333输出功率性能特点在不同温差下对可变电阻的输出功率测量结果如表4所示17表4可变负载情况下温差与输出功率输出温差电阻功率1020304050608005欧000630022700499009160125402041029081欧0008800342007560141701922033120447215欧0010600405008950169023403978052782欧001110045900990186602548045070599925欧001260045501040201026910477306393欧0121005080103302067028080498806814欧00115004901058020240281105026069215欧000630044101033020280273704836068116欧0008800420103019620270504735066897欧001060038600916018460260704528064748欧0011100400872016830244804352061269欧0012600356008190162102386041240592510欧00121003690084601526023103805885通过所测得的数据绘制温差功率曲线如图36所示温差功率曲线00102030405060708欧欧欧欧欧欧欧负载电阻/欧输出功率/W10203040506080图36温差功率曲线18通过绘制的温差功率曲线可以看出，当负载一定时，输出功率的大小随着温差的增大而逐渐增大且变化越来越剧烈；当温差较小时负载的变化对输出的功率几乎没有影响，但随着温差的增大负载对其输出功率的影响也逐渐加剧。通过对不同负载的输出电压、输出电流、输出功率的分析可以看出，当温差达到最大时，负载越大实验箱的输出电压越大，而负载越小时实验箱的输出电流则越大，由于输出的功率是输出电压与电流的乘积，由图36温差功率所示，应选择最佳的负载才可以使输出的功率最大。在温差达到最大时，其最大输出功率大小受负载的影响，如图37所示为温差达到最大时输出功率的变化曲线。输出功率曲线00001002003004005006007008005欧15欧25欧4欧6欧8欧10欧电阻/欧功率/W图37输出功率曲线由图37可以看出，输出功率随着负载的逐渐增大而呈现先增加后减少的之后趋于平稳的趋势，要想使输出功率达到最大值，必须选择最佳的负载。由图37可以看出当负载为4欧时所对应的输出功率达到最大值。194余热发电实验装置的设计在现今的工厂中其废气大都是通过烟道直接排出到空气中，对这部分能量造成了很大的浪费。本实验的研究内容主要是对工厂生产中产生的工业废气、余热加以利用，实验中主要是对铝电解槽余热发电技术进行研究，在铝槽的槽散热孔的结构基础上搭建温差发电实验装置。这对铝槽中的余热加以循环利用且可以节约能源，变废为宝。41概述现代铝工业生产大多采用冰晶石氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950970下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，即电解。同时，在电解过程中释放大量的热，而这些热量绝大部分都通过散热孔直接排放到大气中，不仅造成能量浪费而且污染环境。在实验中设计的余热利用装置就是将这部分热量进行再利用，提高能源利用率。在深入研究热电转换工作原理的基础上，对热电材料进行研究，同时对热电材料的特性参数进行测试，通过现有的温差电理论，建立温差发电的模型。高温面低温面废热电能引出系统散热冷却系统发电模块高导热系统铝电解槽散热孔壁图41余热发电原理图其主要原理（如图41余热发电原理图所示）为利用铝电解槽内废热建立实验箱，使其放入铝电解槽散热孔内，通过高导热系统使热量传入实验箱内的20发电模块产生高温面；在实验箱内搭建散热冷却系统对发电模块进行散热产生低温面，从而使发电模块产生温差，发电模块将温差转换为电信号，最后通过电能引出系统将电信号输出。在本实验搭建过程中应主要解决如何产生更大的温差，即如何使散热孔中的热量更好的传给发电模块产生高温面，如何构建冷却装置使内部更快的散热。本章将详细介绍实验装置各部分的设计和建立，包括自主设计的实验主体，各部分的结构组成和实验所用到的测量仪表、仪器，重点介绍实验主体的组装，各部件的分析。42余热发电装置的设计余热发电实验装置装配示意图如图42所示，整个实验装置主要包括图下几个部分高导热系统、散热冷却系统、发电模块、电能引出系统。图42余热发电实验装置装配示意图421高导热系统如图43所示为高导热系统装配装置示意图，它主要是由金属材料、高阻21隔热材料和环氧树脂板构成。金属材料高阻隔热材料环氧树脂板图43高导热系统装配示意图由图42可以看出外部的热量主要是通过铝箱传入，之所以选择铝材料是因为其导热性能好、质量较轻且比较廉价。所以铝箱及其辅助设备就构成了高导热系统。首先的是根据实际中铝槽的散热孔尺寸的大小设计了铝箱的尺寸为270270270MM的正立方体，其中铝板的厚度为3MM，如图44所示。图44铝箱示意图由于在铝箱的内并不是所有的部分都有发电模块，所以并不需要整个体积的铝板都传递热量，只需增强所需部分导热的面积，其他的部分则需要进行隔热以防止内部热量过高而引起的散热问题。隔热材料的选择也起着非常重要的作用，它可以阻止外部的热量进入铝箱而引起的内部温度过高。在实验中我们22所选用的隔热材料主要是环氧树脂板、高阻隔热材料和辅助材料。环氧树脂板环氧树脂板又称为电木板本身硬度较强，具有良好的绝缘性，耐腐蚀性，有一定的隔热能力，使用寿命长。如图45所以，其大小是由铝箱所决定的，环氧树脂板上所开的孔是由后面的散热片的尺寸所规定的，六块环氧树脂板分别固定在铝箱的六个侧面。其中前三块环氧树脂板内嵌在铝箱中，主要用于固定散热片、温差发电模块。（4）、（6）两块环氧树脂板固定在铝箱的左右两侧，主要用于通风排出压缩空气，降低散热片温度。最后一块环氧树脂板固定在铝箱的上方，使铝箱具有一定的封闭性同时对风管也起到一定的固定作用。由于其具有良好的隔热性，耐腐蚀性，所以适合于长期使用。高阻隔热材料高阻隔热材料在实验装置中主要是用于隔热，保持铝箱的温度。在实验中尽量使内部温度降低是能否达到预期效果的主要因素，保温材料起着重要的作用，它的隔热效果将直接影响铝箱内温度的高低。本实验所采用的保温材料是由深圳市合川特种包装制品有限公司生产的阿斯本纳米超效绝热材料。其主要特性为隔热性能非常好，导热系数K仅为0012W/MK，是一种高温不燃材料，完全防水且能透气，更轻的重量和更少的材料就可以达到和传统321456图45环氧树脂板示意图23材料相同甚至更好的效果，极大的降低了安装成本。辅助材料为了更好的完成高导热系统，在实际组成中还需要使用一些辅助材料，它们对热量的传递起着不容忽视的作用如12块型号为80404MM的铜板，它主要是用来填充内部的高度使铝板与温差发电模块更好的接触且传递热量。422散热冷却系统如图42所示，散热冷却系统主要是由散热器、环氧树脂板和风管组成。冷却系统直接关系到实验输出结果，由于外部的温度一定，要想产生更大的温差就必须尽量降低内部的温度，散热冷却系统的散热效果将直接影响到产生的温差。由于铝电解槽结构所决定在实验中选择风冷却方式，采用强制对流，在风管中通以压缩空气，如图46所示为散热冷却系统示意图，通过图46可以很清晰的反应出散热冷却系统的基本原理。压缩空气散热器隔热材料风管图46散热冷却系统示意图散热片通过对实验的分析及其与实际相结合，本实验所选用的散热片的基本尺寸（如图47散热片结构图所示），在实验中共需要使用12块散热片。每块散热片都固定在环氧树脂板上，使用散热片的主要作用是尽量使温度降低产生较大的温差。在所选用的散热片中除了要尽可能的增大散热量外，还要考虑其结构特性，为了使散热片更好的与温差发电模块接触，在选择散热片的尺寸时应使散热片的下部宽度与发电模块的宽度相同，以便于散热片与发电模块的固定，更好的传热。24图47散热片示意图在实验箱中要想更好的发挥散热片的作用需要使散热片固定，将散热片固定安装在环氧树脂板上，铝箱内散热效果的好坏将直接的影响发电模块冷面的温度，所以在散热片的安装过程中应考虑到如何才能使散热片充分发挥其功能，以达到最好的散热效果。要想获得最大的散热效果，应尽量使散热片充满整个空间，在结合实际后，我们采用两块散热片为一组，每块环氧树脂板上装有两组散热片，在两组散热片之间的距离为30MM（为风管的宽度）。如图48散热片装配示意图所示在散热片与环氧树脂板固定过程中考虑到散热片的结构及其安装的方便，首先在散热片和环氧树脂板上用3MM的转头打若干孔，再用自攻螺丝对散热片进行固定。在固定过程中应注意散热片与环氧树脂板之间不能存有空隙，否则将影响下面的传热。风管风管的基本尺寸如图49风管示意图所示，在风管的三边分别开几排大小相同的通风孔。风管的主要作用是从管口通以压缩空气，空气从各边的通口流出对散热片起到冷却的作用。风管的制作中主要考虑到要在其三边开很多孔用以通风，所以在材料的选择中需要使材料具有一定的硬度，便于开孔。本实验中风管由铝合金制成。25图48散热片装配示意图如图410为散热冷却系统装配示意图，在图410中可清楚的看到风管在散热片中的位置。风管在实验箱中的主要是通过三边的散热片结构以及实验箱的盖板进行固定，不需要其他的辅助设备。所以必须最后才安装风管，一旦风管固定整个试验箱将不能再改动。图49风管示意图26图410散热冷却系统装配示意图423发电模块发电模块是整个实验装置中最为关键的部分，直接影响到热传递效果的好坏以及最后的实验数据的优劣。用于半导体制冷的制冷片是半导体温差发电模块的理想选择。这是因为半导体温差发电和半导体制冷在理论上可视为彼此互逆的效应，半导体制冷片是由BI，TE，SB和SE等经优化掺杂构成的固溶体材料，材料的优值系数较高，可以运行在180550K左右的范围内，无论作为制冷还是发电，都是可行的。因此，理论上为制冷而设计的半导体片同样可以用于半导体温差发电。实验中的半导体制冷片是由市场上购买的商业制冷片，国内目前生产制冷片的厂商较多，但是产品性能基本类似，所用材料一般是以碲化铋为基体的三元固溶体合金，P型（7075）（分子）32TESB2530（分子）32TEBIP型杂质；N型（9093）（分子）32TEBI710（分子）32SEBIN型杂质。其无量纲优值大约为1，本文实验中所采用的发电体模块型号为TECL12706L，其主要性能在第三章中以进行说明。主要参数如下当TH30时IMAX60A；TMAX66；VMAX1500V；QMAX5140W；27外形尺寸LBH404036MM发电模块安装的好坏将直接影响其发电量。在环氧树脂板上为安装散热片所开的四个口与两块发电模块片的大小相同，所以以两块发电模块串联为一组，每块环氧树脂板上装有四组发电体模块。如图411发电模块示意图所示图411发电模块示意图在安装发电模块时应时刻注意保持其平整且与散热片之间没有空隙，这样才能充分发挥发电模块的作用。假如存有空隙将影响发电体模块上产生的温差，影响实验最终的输出功率。每组发电模块都是通过导热硅脂固定在其下方的铜板上，在固定时首先应对其冷热端进行判断，安装时冷热端且不可接反否则将烧毁发电体模块。在实验的组装过程中最主要也是最繁琐的部分就是铝箱的内部的安装。其中包括发电模块的固定、高阻隔热材料与铝板及环氧树脂板之间的固定等。在安装固定过程中还需应用许多辅助工具。如图412为发电体模块的基本示意图28发电模块隔热材料铜板比例41环氧树脂板铝板图412发电体模块基本示意图如图，在最下层为铝板也是实验装置的基本框架，在铝板上方大部分为高阻隔热材料，阻止外部的热量进入铝箱。剩余部分被4MM厚的铜板充填，其主要作用为增强传热及增加内部高度以弥补发电体模块高度的不足。高阻隔热材料通过固体胶（聚酰胺树脂环氧树脂11，其具有很好的隔热的效果）固定在铝板上，而铜板则通过导热硅脂（具有很好的导热效果）进行固定。在铜板上方为一组串联的半导体制冷片，半导体制冷片的热端通过导热硅脂固定在铜板上，在固定时一定要注意保持平整且不能存有空隙。最后为散热片与环氧树脂板的固定，其固定主要是通过螺丝，先在铝板上开与环氧树脂板相同的孔再通过螺丝、垫片、螺母进行固定。铝箱的内部组成是整个装置的核心部分，在这里产生温差及其转换为电信号输出。所以在安装时应尽量使其平整，中间不应存有空隙，使各部件充分发挥其功效。424电能引出系统在实验箱内的发电模块将温差转换成为电流或电压，再通过导线将电流或电压引出，引出的电流或电压首先应通过稳压装置在通过负载，但由于实验条件和时间关系在本实验中并没有接入稳压装置，而负载也是简单的节能灯。如29图313为发电模块电路示意图，图中只为一块板的电路图，其余两块类似。AV图313发电模块电路305余热发电装置性能研究在实验箱设计完毕之后，首先在实验室中对实验箱进行模拟测试。主要是测量其冷热端温度及其温差产生的电压大小。但是由于实验室的条件有限不能如现场中的散热孔使实验箱的三面同时受热，只能对实验箱的一个表面加热，所以在实验中主要对实验箱的底面进行测量。51系统性能测试通过加热板使底面受热，使两组热电偶分别插入实验箱底面左右两端事先开好的孔中，与半导体发电片的冷热端接触，同时使可变电阻与底面引出的两根接线柱相连，并接入电流、电压表，电路图如图51所示。散热片热电偶1热电偶3热电偶4热电偶2发电模块导热材料加热板VAXMR5000图51测试系统电路图在对实验箱加热的同时使用风机对风管通以压缩空气，加热一段时间后开始数据采集，测量结果如表5所示31表5实验室测量数据热电偶1热电偶2热电偶3热电偶4温差/度输出电压/U275757263034230707030404263176763145465328282315049732878832555253393933360558349999336557935105104347060436111111357562837117118378065381231243885667401301303990684451401414495723从实验室中测得的数据来看还是满足设计要求的，特别是散热情况比较理想，当温差达到95度时，冷端温度才达到45度。可底面的传热效果并不是很好，在用加热板加热过程中加热板表面实际温度有200多度，而所测量的热端温度只有140度左右。但是所测量的结果还是计较合理的。虽然最高的输出电压只达到723