【《温差发电器中温差发电模块仿真与控制系统设计案例》3400字】

温差发电器中温差发电模块仿真与控制系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u1193温差发电器中温差发电模块仿真与控制系统设计案例 1126811温差发电模块的仿真研究 1301.1 温差发电模块的耦合设计模型 1117611.2 温差发电模块的ANSYS有限元仿真 3195051.2.1仿真模型建立 3237981.2.2 网格划分及设置边界条件 491.2.3 仿真结果 438071.3 本章小结 520896第2章控制系统设计 6300202.1 控制系统的作用 6229292.2 控制器及其外围电路设计 7179682.2.1 控制器选型介绍 7241082.2.2 步进电机及驱动模块介绍 7157112.3 本章小结 81温差发电模块的仿真研究考虑温差发电器中的汤姆逊效应，及三位状态下的温度场分布，对电势场方程进行求解，建立温差发电模块的三维热电耦合性能模型，使模型能够考虑电势场和温度场之间的耦合，并采用ANSYS软件求解分析。1.1 温差发电模块的耦合设计模型温差发电模块中使用的半导体材料为碲化铋半导体材料，单个模块中的127对PN结全部采用串联方式连接，故仅需对一对PN结进行仿真就可以估计整个温差发电模块的性能。模块由P型半导体材料、N型半导体材料、铜导流片、陶瓷导热基底组成，仿真所使用的参数如表5-1所示。表5-1单对PN结仿真模型设置参数性能参数性能指标P型电偶臂尺寸（mm）1.0*1.0*1.0N型电偶臂尺寸（mm）1.0*1.23*1.0间隙（mm）0.5mm塞贝克系数（VK-1）an=-1.95e-4，ap=2.33e-4电导率均值（Ωm）σn=1.34e-5，σp=1.75e-5，σCu=1.72e-8热导率均值W/(mK)kn=1.5，kp=1.3，kCu=400，kAl=197图5-1单PN结的模型结构及网格划分P型半导体、N型半导体、铜导流片的能量方程分别可表示如下：∇∙∇∙∇∙其中：k为热导率，σ表示电导率，J为电流密度，τ为材料的汤姆逊系数，ρ为材料的密度，c为u材料的比热容，T为瞬态温度，t为进行时间。对于模块中的电动势，则满足以下方程：∇其中：φ为电位势，α∇T为塞贝克电动势，ε为材料介电常数。得到电动势场方程后，进一步求出电场强度和电流密度矢量如下：EJ在模型内的传热过程中，每一个微元点的温度值都为时间和空间的函数：∅=∅与传热过程相关的部分使用热力学第一定律进行分析：∇E=∆Q+W∆E=ρc∆Q=式中：W为外界做工功，ρ为物体密度，c为物体比热容，q为热流强度，∆A为面积，ψ三维情况下温度场热传导方程可表示如下；k通过上述方程进行一定计算即可得到发电模块内部的温度、电势分布。1.2 温差发电模块的ANSYS有限元仿真ANSYS是当前国内外多领域常见的计算机辅助分析软件之一，其使用灵活，擅长多种物理场耦合情况下的仿真分析，在航天航空、机械、电气等领域得到了广泛应用。1.2.1仿真模型建立P型电偶臂、N型电偶臂的尺寸已在表5-1中给出。仿真的第一步即为在ANSYS14.2软件中绘制电偶臂、陶瓷导热板、铜导流片的几何模型，并根据对应材料参数对各集合体设置对应的材料属性。该步骤完毕后建立的仿真模型如图5-2所示。图5-2ANSYS软件中建立的温差热电偶几何模型1.2.2 网格划分及设置边界条件根据仿真所需的精度来设置模型的网格划分等级，并通过ANSYS软件给两个电偶臂材料模型添加外电阻，并在陶瓷导热基板的表面定义热端及冷端对应的外界温度条件，本次仿真使用的外界边界条件见表5-2，完成后的仿真模型如图5-1所示。表5-2仿真设置的边界温度条件名称参数热端温度（℃）80冷端温度（℃）221.2.3 仿真结果利用ANSYS对温度及电势场分布进行仿真，当边界温度条件设置为表5-2所示时，得到的温度场及电势场分布如图5-3所示。图5-3仿真结果可以明显看出，温度场及电势场的分布均为线性分布且温度场和电势场的分布趋势基本一致。此时该对温差电偶臂的电势最高为约0.075V，输出功率为0.025W。通过设置不同的温差，获得不同的温差-电势曲线，结果如图5-4所示。图5-4温差-电压曲线从曲线中可以看出温差和单个PN结的输出电压基本成线性关系，验证了影响温差发电输出性能的主要因素为热端与冷端的温差的理论推导结果，设法提高热端与冷端的温差是提升温差发电器性能的重要途径。1.3 本章小结本章通过ANSYS软件，对由单个P型及N型电偶臂组成的温差热电偶进行了有限元分析仿真，得到了单个温差电偶臂当中温度、电压分布趋势及电压随温差变化的曲线，验证了第二章当中提出的温差发电器的主要性能参数的影响因素，并验证了通过提升温差来提高温差发电器性能的方法的有效性。

第2章控制系统设计2.1 控制系统的作用控制系统包括两部分，第一部分为用于稳定温差发电模块输出的DC-DC变换部分，第二部分用于追踪太原光线和对热端、冷端温度进行检测并控制散热风扇转速部分。DC-DC变换部分的主体结构比较简单，由控制器和BUCK-BOOST电路组成，控制器采样输出电压的变化，并通过控制BUCK-BOST电路中晶闸管的开关频率和占空比来使温差发电模块输出的不稳定的电压和电流变换为稳定的电压，供给蓄电池充电和负载使用。BUCK-BOOST电路得结构已在第二章中介绍，电路结构如图3-7所示。剩余部分的结构较为复杂，由安装于指甲上控制聚光器和发电模块旋转的步进电机采集发电模块热端和冷端温度的热敏电阻、主控制器最小系统、光照度传感器等组成。主要功能有：（1）保护作用：主控制器通过热端热敏电阻采样结果接收热端温度信号。当阳光过于强烈，集热板上的温度过高时，此时有可能超出温差发电模块的工作温度极限值而导致温差发电模块损坏，此时主控制器控制步进电机旋转，使聚光器偏转，改变阳光的入射角度来降低集热板的温度，避免发电模块过热烧坏；（2）跟踪作用：由于太阳的“东升西落”，太阳光照射的角度不是一成不变的。主控制器应实时采集照度传感器数据，找到此时太阳的直射方向，控制步进电机旋转保持太阳光始终直射聚光器，得到最大的发电输出功率和输出效率；（3）控制作用：单片机可作为BUCK-BOOST电路的控制器，通过输出PWM信号控制晶闸管。通过单片机的模数转换引脚实时采样发电模块输出电压，计算得到当前晶闸管的工作频率和占空比，来保持装置输出电压的稳定；（4）辅助散热：单片机通过冷端放置的热敏电阻采样冷端温度，当单片机冷端散热不佳时可控制冷端散热风扇转速升高，提升发电装置冷端的散热速率，得到尽可能大的冷热端温差，增大装置的输出功率；除上述功能外，还可通过设置按钮、液晶屏等输入输出装置，或利用CAN、LIN、RS485等通信方式实现对温差发电装置的实时监控及参数调节或远程控制。2.2 控制器及其外围电路设计2.2.1 控制器选型介绍主控芯片选型时首先需要考虑到性能的要求，包括该类型芯片是否具有足够的CPU运算性能及该控制器是否具有足够的片上外设供程序实现所有功能使用、该类型封装是否预留足够多的引脚数量连接全部外设，其次才是经济和功耗方面的要求。目前主流的微控制器有以8051为代表的8位单片机，以STM32为代表的32位单片机等。8位单片机技术成熟，芯片价格低廉，但可供使用的片上外设数量较少不足以连接本装置所需的全部外设，同时CPU性能较低，程序的编写受到很大限制，对程序算法和效率方面要求较高。由于半导体技术的发展，32位单片机近年来得到了很大发展，32位单片机外设众多，性能较8位单片机提升很大，但也存在着编程较为困难，功耗较大问题。MSP430系列单片机是德州仪器公司生产的16位单片机，其综合了32和8位单片机的部分优点，编程简单外设丰富的同时保持了相对优秀的性能，同时功耗较其他单片机大大降低。图6-1MSP430F149单片机内部结构2.2.2 步进电机及驱动模块介绍步进电机在温差发电系统中起到重要的作用。调整聚光器的旋转角度便是使用步进电机来进行的。较直流电动机而言，步进电机较容易控制其旋转角度，其与直流电机相比具有以下特点：（1）旋转角度与电脉冲数呈正比，改变电脉冲数的个数便可改变步进电机的旋转角度；（2）可以通过控制信号来简单控制步进电机旋转的方向；（3）驱动电路、步进电机可以使用开环连接，系统结构简单，稳定性强。正是由于步进电机的以上特点，步进电机广泛应用于要求精确控制转动角度的场景。但步进电机的不可用单片机直接驱动，需要增加专门驱动电路，一般使用驱动芯片L298N，该芯片的内部结构如图6-2所示。图6-2L298N驱动芯片的内部结构L298N驱动芯片实质上为一种H桥驱动芯片，最高工作电压为50V，工作电流可达到2A，将单片机输出的电压、电流较弱的控制信号转变为能驱动电动机旋转的电信号。2.3 小结本章简述了温差发电系统控制系统的组成和设计思路。温差发电系统控制装置由系统稳定输出控制部分和设备控制部分组成，其中稳定输出控制部分