热电发电技术回收工业余热分析

工业余热资源形式多样且总量巨大,节能潜力可观。利用热电发电技术将工业余热资源转化为电能,既能提升能源利用率又可以降低热污染,是实现双碳目标的重要技术途径。介绍了工业中不同类型余热的分布占比情况和热电发电的基本原理,重点对热电发电技术在工业领域中的应用研究进展进行了综述,并针对热电发电技术以及该技术在工业应用中存在的一些问题进行了分析、总结和展望。

宽光谱共轭小分子在太阳能海水淡化与热电发电中的应用

[目的]为解决太阳能海水淡化器件成本高、制备工艺复杂的难题,选择具有重量轻、成本低、合成及提纯工艺简单等优点的有机小分子光热材料作为太阳能吸收材料。[方法]利用1种有机共轭小分子Y6,与低成本的纤维素纸结合,制备了在350~1 000 nm范围内宽光谱吸收的高光热转换性能的Janus结构水蒸发器。[结果]蒸发器的下表面具有高效的水粘附性,利于高速集水,而蒸发器的上表面具有拒水性,能够达到理想的自漂浮能力。并且每3.14cm^(2)的器件仅需0.5 mg光热材料就能实现超过70℃的温度,节约用料优势明显。[结论]在1.0 kW/m^(2)太阳光辐照下,基于Y6的蒸发器的光热能量转换效率为64.4%,蒸发速率高达1.13 kg/(m^(2)·h),明显高于对照的纤维素纸蒸发器。经过太阳能蒸发脱盐后,得到的纯化水的离子浓度相比于初始的模拟海水显著降低4~6个数量级。该蒸发器与热电器件集成,在1.0 kW/m^(2)太阳光照射下,蒸发速率达到1.02 kg/(m^(2)·h),同时还产生了55 mV的输出电压。研究结果表明,基于有机小分子Y6的太阳能蒸发器,在光热水净化和热电发电协同作用方面具有良好的应用前景。

汽车尾气热电发电系统最大功率检测算法研究

在汽车尾气热电发电系统中,由于传统最大功率检测算法检测误差率高,研究基于汽车尾气热电发电系统最大功率检测算法。建立汽车尾气温差热电发电数学模型,得到温差单电偶的稳态发电情况,计算得到输出效率最大值;调整电路中的测试点电压,在输出电压或者输出电流中添加扰动量进行调控,运用干扰观测法和二插值拟合算法计算得到最大功率点的电压值实现汽车尾气热电发电系统最大跟踪检测。实验结果表明,运用本文方法的最大功率检测误差率最低,提升最大功率点的跟踪精度,完成了汽车尾气热电发电系统最大功率的高效检测。

基于相变材料的半导体热电发电器性能优化研究

近年来,利用相变材料(phase change material,PCM)提升半导体热电发电器(thermoelectric generator,TEG)输出性能及维持TEG长效运行受到广泛关注。针对现有PCM-TEG结合方式复杂且缺乏统一认识的现状,建立了PCM-TEG耦合数学模型,对比了PCM布置在TEG热侧、冷侧及双侧时的系统性能,提出了骨架PCM设计并验证了其有效性。结果表明:骨架PCM设计通过实现TEG热管理,在一定程度上能提升器件的输出能力,并能利用自身蓄热能力有效地避免热电器件失效;骨架PCM设计优于常规无骨架PCM-TEG的系统性能;热侧PCM-TEG和双侧PCM-TEG设计能有效维持TEG的稳定运行;增强TEG冷侧换热能力,可弥补热侧PCM-TEG系统性能的不足。研究结果可以为下一步PCM-TEG应用研究提供参考。

采用丝网印刷法基于Bi_(2)Te_(2.8)Se_(0.2)和Bi_(0.5)Sb_(1.5)Те_(3)悬浮液制备柔性热电发电机

本研究开发了利用磷酸锌水泥和碱性硅酸钠水溶液作为黏合剂的丝网印刷形成n型和p型热元件腿的技术,研究了厚膜的热电性能。以碱性硅酸钠水溶液为黏合剂,利用基于Bi_(2)Te_(3)-Sb_(2)Te_(3)(p型)和Bi_(2)Te_(3)-Bi_(2)Se_(3)(n型)的悬浮液的丝网印刷结果,制备了柔性热电发电机(TEG)的原型。开发的原型包括6对由铜线连接的n型和p型腿,和一个硅胶基质被用作柔性底座。对样机的研究表明,在室温(298 K)下,柔性厚膜TEG在温差?T=2.5 K和10.0 K下的输出电压分别为0.8 mV和14.8 mV。

热电发电器件的研究与应用进展

热电发电器件作为一种新型绿色能源器件,能够将人体、自然环境、工业过程等产生的废热转换为电能,使可再生能源的持续供电成为可能,具有清洁环保、工作位置灵活、环境适应性强等优点,在全球具有很好的发展前景。宏观地介绍了热电发电器件的基本工作原理,对热电发电器件进行分类,并着重从热电发电机(TEGs)和热电化学电池(TECs)这2方面对热电发电器件进行阐述。结合热电发电器件的优势,对其在电化学储能、柔性传感等多方面的应用进行概述。进一步地,对热电发电器件发展存在的诸多挑战以及未来的研究方向进行了总结和展望。

不同边界条件下热电发电器件瞬态响应特性分析

鉴于实际应用中热源的非稳态特性,建立热电发电器件的三维瞬态热-电耦合数值模型,以阶跃上升、阶跃下降、线性上升、线性下降、正弦波和三角波6种热源波形作为输入,对比并分析在瞬态温度边界条件和瞬态热流边界条件下的响应特性.结果表明:该模型能准确模拟热电发电器件的瞬态输出性能,仿真结果与试验测量的电压和功率误差分别为3.30%和6.58%;由于温度变化具有连续性,瞬态热流边界条件比瞬态温度边界条件更合理;受热惯性的影响,即使热源输入急剧变化,热电发电器件的输出功率仍呈现平缓的变化趋势,且存在时滞现象;周期性热源能够提升热电发电器件的输出性能,在正弦波和三角波的周期性热源中,热电发电器件的输出功率分别提升了7.48%和5.76%,转换效率分别提升了11.58%和8.48%.

中低温分布式热电发电系统MPPT优化控制研究

由于热电系统存在换热的差异导致每个热电片(TEG)输出不均匀,因此研究了分布式与集中式最大功率跟踪(MPPT)在热电发电系统的差别影响。搭建了由32片TEG构成的热电系统实验台,实验过程是在入口空气温度为150℃、200℃、250℃,空气流量分别为12 kg/h、14 kg/h、16 kg/h共计九种工况下展开的。实验表明,输出功率并不是简单地沿热流进口端递减的,且分布式MPPT下的热电发电能够真正实现最大功率输出。在热电发电输出特性基础上提出滤波下的改进短路电流结合粒子群(PSO)实现分布式MPPT算法,并仿真验证了所提出算法的可行性。

热电发电器件的输出功率和效率的解析模型

建立了热电发电器件工作的一维模型,应用热力学理论分析了发电器件的输出功率和效率,并重点讨论了元器件热导及热端板、冷端板与元器件间的接触层热导对输出功率和效率的影响。结果表明,热电发电器件的输出功率和效率随热端接触层热导和冷端接触层热导的增加而增加,但增加的幅度越来越小;随元器件热导的减小而增加,且增加的幅度越来越大。所得结论对发电器的设计具有重要的指导意义。

串联式汽车尾气热电发电系统台架试验

利用低温型Bi_2Te_3基热电器件构建一种4层串联结构的汽车尾气热电发电系统,通过台架试验测试了系统的输出性能并分析其影响因素.结果表明:当热电器件的最高热端温度达到其最大耐热温度时,系统的可回收最大功率约为60 W;采用一体化间接冷却方式难以降低系统的冷端温度,从而导致温差不明显;在相同条件下,中间2层串联热电器件的总体输出性能较好,适当减小集热器的尺寸,可以提高其热容量和表面温度,从而提高系统的输出性能.

热电发电机优化的有限时间热力学准则

一前言 协调热电发电机的功率和效率涉及两个问题,一是协调外阻与内阻;一是合理地选择两种材料的面积与长度的比值(下称面长比)。本文定义了两个特征参数,并用它们给出了热电发电机优化的有限时间热力学准则。

集中-分布混合式热电发电系统分布式MPPT控制方法

集中-分布混合式热电发电系统能够解决多个热电发电(Thermo Electric Generator,TEG)模块串联连接时各模块的最大功率点不匹配的问题,实现系统发电能效的最大化。本文提出一种应用于集中-分布混合式热电发电系统的分布式最大功率点跟踪(MPPT)控制方法,通过对各TEG模块的输出电流进行直接控制,集中单元的输入电流等于最大功率点电流最小的TEG模块的电流、分布式单元的输入电流等于各模块最大功率点电流与集中单元输入电流的差值,使得各TEG模块的MPPT控制相互解耦,系统能够快速、准确、稳定地跟踪各个TEG模块的最大功率点,实现了系统输出功率的最大化。搭建了由四个TEG模块组成的混合式热电发电实验系统,通过实验验证了提出的分布式MPPT控制方法的有效性。

聚光型太阳能热电发电系统的建模及优化研究

建立了聚光型太阳能热电发电器工作的数学模型,应用热力学理论重点分析了发电器件的材料热导率和几何结构对电源电动势、输出功率和效率的影响。结果表明:电源电动势、输出功率和效率均随器件材料热导率的减小或热流密度的增加而分别增加,但随器件材料热导率的减小而增加的幅度越来越大,随输入热流密度的增加而增加的幅度却越来越小;电源电动势随器件长度的增加或横截面积的减小而增加,而功率和效率随器件长度的增加和横截面积的减小先增加后减小,所得结论对发电器的设计具有重要的指导意义。

多级热电发电机特性分析与性能优化

基于非平衡热力学理论,建立多级热电发电机的数值分析模型,以数值算例分析其各级热电单元数相同时的基本输出特性,并在热电单元总数一定的约束下,分别以功率和效率为优化目标,优化热电单元在各级间的配置和工作电流。各级热电单元数相同时,一定工作电流下,由高温侧至低温侧,各级温差呈等差递增分布,功率和效率依次增大,分别存在两个最优工作电流对应最大功率和最大效率。当工作温差和Seebeck系数较小时,各级单元数相同可获得最大功率;当温差或Seebeck系数较大时,热电单元数由高温侧至低温侧依次增大且呈等差分布可获得最大功率;对热电发电机各级配置相等数目的热电单元可获得最大效率。

热电发电装置的动态模型及分析

建立以热电发电器件为核心构成的热电发电装置的数学模型。通过运用热力学第一定律,分别建立了热冷端散热器和热电发电器件的动态数学模型和相应的等效电路模型。在简化一些小热容器件的基础上,建立了完整的热电发电装置的动态等效电路模型。根据所建模型分析了See-beck效应输出电压在输入热量波动下的源响应特性和在负载电阻波动下的负载响应特性。最后建立了小型试验装置,测试了装置的源响应曲线和负载响应曲线,并与建立动态等效电路模型的仿真结果相比较,试验和仿真吻合,证明了模型的有效性和分析的正确性。

碳纳米管薄膜气流热电发电机性能测试分析

基于碳纳米管薄膜的热电特性,设计了一种新型的薄膜式气流热电发电机。当热气流在碳纳米管薄膜材料表面流动时,在薄膜平面内形成温度梯度,通过塞贝克效应将热能直接转换为电能。利用浮动催化化学气相沉积法制备了导电性较好的透明碳纳米管薄膜,建立了气流热电发电机实验模型,对其输出电压进行了测试。实验表明:与传统的固定热源热电发电机相比,该气流热电发电机的输出电压较高。提出了集流体动力、流固耦合换热、热电效应于一体的多物理场耦合发电机制,对该实验结果进行了解释。碳纳米管薄膜气流热电发电机容易集成加工,可解决微光机电系统的电源问题,具有广阔的应用前景和实用价值。

热电发电机驱动热电制冷机联合系统最优性能

用非平衡热力学与有限时间热力学相结合的方法,考虑装置内部的Seebeck效应、Peltier效应、焦耳热效应、傅立叶效应及装置与热源间传热损失,建立了牛顿传热规律下热电发电机驱动热电制冷机联合系统的有限时间热力学模型,得到装置制冷率和制冷系数的解析式。在装置热电单元总数和换热器总换热面积一定的条件下,优化热电单元和换热面积的分配,获得装置的最大制冷率和制冷系数,并着重分析了热电发电机高温热源温度和热电制冷机制冷空间温度对装置最优性能的影响。结果表明,优化可以有效地提高装置制冷率和制冷系数,增大装置极限制冷温差,拓宽装置工作范围。

船舶主机余热的热电发电系统建模与仿真

船舶主机余热的热电发电系统是一种新型的船舶主机余热发电系统,为了证实热电发电系统用于船舶余热发电的可行性,需要了解系统工作时热电转换的动态过程以及系统对船舶不同工况的适应能力。利用热电转换相关理论,对船舶主机余热的热电发电系统的热电转换过程进行了分析,建立了系统的动态数学模型。并且在系统中增加辅助升压部分,减小了参数波动,提高了系统的稳定性。利用SIMULINK工具对系统进行了仿真,对仿真结果分析表明,上述热电发电系统在船舶不同工况下是稳定可靠的。从而表明利用热电发电技术进行船舶主机余热发电是可行的。

碳纳米管薄膜热电发电机设计及耦合分析

为解决微小型器件电源体积大、质量重、集成难等问题,利用碳纳米管薄膜材料的热电特性,设计了一种新型的薄膜式热电发电机,可将热气流直接转化为电能。建立了薄膜热电发电机物理模型,研究了热电发电理论和控制方程,对碳纳米管薄膜热电发电单元进行有限元仿真,分析了输出电压和输出功率的变化规律。提出了减小内阻的方法,为改进碳纳米管薄膜热电发电实验模型提供理论依据。利用浮动催化化学气相沉积法制备了导电性较好的透明碳纳米管薄膜,其热电特性与仿真结果一致。碳纳米管薄膜柔韧性较好,将多个发电单元串联连接,构建圆柱体、截顶圆锥体等多种薄膜式热电发电机结构,易与微光机电系统集成,具有广阔的应用前景和实用价值。

单根锑掺杂ZnO微米线热电发电机的制备及热电性能

采用化学气相沉积(CVD)方法,在无催化剂的条件下,生长出了锑掺杂的超长、大尺寸ZnO微米线。测试表明微米线的平均长度可达1~2.5 cm,微米线中锑元素的含量约为3.1%(n/n)。此外,将挑选出的单根锑掺杂ZnO微米线以银浆为电极制作成热电发电机,并研究了微米线长度和微米线直径对器件输出性能的影响。研究表明当器件两电极之间的温差为20 K且两电极间微米线的长度为1.6 cm时,器件能够输出的最大电压和最大输出功率分别约为36 m V和10.8 n W,微米线的赛贝克系数约为-1.80 m V·K-1。此外,热电器件的输出电压随着微米线长度的增加而增大,随微米线直径的增加而减小。