低品位热源半导体温差发电器性能研究毕业设计.docx
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低品位热源半导体温差发电器性能研究毕业设计
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
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
ResearchofSemiconductorThermoelectricGeneratorin
Low-gradeHeatEnergyandTemperatureDifference
Abstract:
Thermoelectricpowergenerationisanewtypeofpowergeneration,itistouseSeebeckeffectseffectwillbedirectlyconvertedtoelectricheat.Thermoelectricpowergenerationmoduletothesemiconductormanufacturingthermoelectricgenerator,aslongasthereisatemperaturedifferencecanbepowergeneration.Thermoelectriceffectsemiconductorthermoelectricpowergenerationisthetheoreticalbasis,thepaperinitsbasicprincipleofasimpledescriptionofthesemiconductorthermoelectricpowergenerationatthesametimetheworkmadecleartheprinciplesexpounded.Onthisbasis,first,giveasinglegenerationtheperformanceofthetesting,analysiswithitspoweroutputchangesoftheload;andthen,inaccordancewiththebasicprinciplesofcoolingholeswithaluminiumcellstructuredesignstructuresusingthewasteheatexperimentaldevice,Andinthelaboratorystructuresimitationaluminiumcellstructureofthecooling-testingsystem,theexperimentaldevice'spoweroutputvoltageandpowertocarryoutthecollection,summingupaseriesofrelevantlaws,derivedfromthebestpoweroutput;Finally,theanalysisoftheresultsoftheexperimentaldeviceoptimizedsothattheexperimentaldevicecanprovideastableandadequateelectricpower,andultimatelyachievingenergyre-use.
Keywords:
Thermoelectric；Powergenerationmodule；Performance；Test
摘要及关键词...........................................................................................................IAbstractandKeywords.........................................................................................II
1概述..................................................................................................................1
1.1半导体温差发电的研究现状和发展动态................................................1
1.1.1能源危机和环境污染.....................................................................1
1.1.2新能源的开发.................................................................................2
1.1.3温差发电的发展趋势.....................................................................3
1.2课题研究的来源及主要研究内容............................................................4
2温差发电的基本效应..................................................................................5
2.1塞贝克效应...............................................................................................5
2.2珀尔帖效应...............................................................................................6
2.3汤姆逊效应...............................................................................................7
2.4焦耳效应..................................................................................................8
2.5温差电材料热电性能的表征....................................................................9
2.6半导体温差发电的工作原理....................................................................9
3单一温差发电模块性能研究...................................................................12
3.1测试装置................................................................................................12
3.2空载下发电模块性能的研究..................................................................13
3.3可变负载下发电模块性能的研究..........................................................14
3.3.1输出电压性能特点.......................................................................14
3.3.2输出电流性能特点.......................................................................15
3.3.3输出功率性能特点.......................................................................16
4余热发电实验装置的设计.......................................................................19
4.1概述...........................................................................................................19
4.2余热发电装置的设计.............................................................................20
4.2.1高导热系统...................................................................................20
4.2.2散热冷却系统...............................................................................23
4.2.3发电模块.......................................................................................26
4.2.4电能引出系统...............................................................................28
5余热发电装置性能研究............................................................................30
5.1系统性能测试.........................................................................................30
5.2系统结构优化.........................................................................................32
6结论与展望..................................................................................................35
6.1结论........................................................................................................35
6.2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#）
1概述
1.1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[1-3]。
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。
1.1.1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
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。
1.1.2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/m2，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3.35x103—8.40x103MJ/m2
之间，其平均值约为5.86x102MJ/m2。
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
（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。
1.1.3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[4-6]。
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270～300℃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，
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。
1.2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
2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
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