低品位热源半导体温差发电器性能研究（毕业设计）.pdf

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_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IResearch of Semiconductor Thermoelectric Generator in Low-grade Heat Energy and Temperature DifferenceAbstract:Thermoelectric power generation is a new type of power generation,it is to use Seebeck effects effect will be directly converted to electric heat.Thermoelectric power generation module to the semiconductor manufacturing thermoelectric generator,as long as there is a temperature difference can be power generation.Thermoelectric effect semiconductor thermoelectric power generation is the theoretical basis,the paper in its basic principle of a simple description of the semiconductor thermoelectric power generation at the same time the work made clear the principles expounded.On this basis,first,give a single generation the performance of the testing,analysis with its power output changes of the load;and then,in accordance with the basic principles of cooling holes with aluminium cell structure design structures using the waste heat experimental device,And in the laboratory structures imitation aluminium cell structure of the cooling-testing system,the experimental devices power output voltage and power to carry out the collection,summing up a series of relevant laws,derived from the best power output;Finally,the analysis of the results of the experimental device optimized so that the experimental device can provide a stable and adequate electric power,and ultimately achieving energy re-use.Keywords:Thermoelectric；Power generation module；Performance；Testii目录摘要及关键词.IAbstract and Keywords.II1概述.11.1 半导体温差发电的研究现状和发展动态.11.1.1 能源危机和环境污染.11.1.2 新能源的开发.21.1.3 温差发电的发展趋势.31.2 课题研究的来源及主要研究内容.42温差发电的基本效应.52.1 塞贝克效应.52.2 珀尔帖效应.62.3 汤姆逊效应.72.4 焦耳效应.82.5 温差电材料热电性能的表征.92.6 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.123.1 测试装置.123.2 空载下发电模块性能的研究.133.3 可变负载下发电模块性能的研究.143.3.1 输出电压性能特点.143.3.2 输出电流性能特点.153.3.3 输出功率性能特点.164余热发电实验装置的设计.194.1 概述.194.2 余热发电装置的设计.204.2.1 高导热系统.204.2.2 散热冷却系统.234.2.3 发电模块.26Hi4.2.4 电能引出系统.285余热发电装置性能研究.305.1 系统性能测试.305.2 系统结构优化.326结论与展望.356.1 结论.356.2 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#）IV1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，近儿年来的商用温差电致冷器市场以每年高速率递增“a。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，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。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。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 1353 W/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。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3.35X1O38.40 xl03MJ/m2 之间，其平均值约为5.86xl02MJ/m2o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。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。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 2（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 一电能的有效途径之一。半导体温差发电器（Thermo Electric Generator,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9。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270300C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，3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。本论文主要从以下儿个方面进行研究：(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、输出功率和匚作时间等参数。(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42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，Thermoelectric effects)将同时发生的五种不同效应：塞贝克效应(Seebeck effects)、珀尔帖效应(Peltier effect)汤姆逊效应(Thomson effect)、焦耳效应(Joule effect)和傅立叶效应(Fourier effect)0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。2.1 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。这种电动势就称为塞贝克电动势，又称温差 电动势。如图2-1所示，如果两种不同材料金属a和b两端节点上存在温差AT时，则在金属两端便会产生电动势AU,称为温差电动势。且温差电动势AU是大小 与结点间的温差AT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(2-1)：其单位为V/K或V/K。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,则塞贝克系数风心就 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5导体a图2-1塞贝克效应示意图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2/ZV/K。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。若用鬼和即来表示材料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(2-2)、(2-3)：%=碎打(2-2)b”(2-3)由这两种材料所制成的热电对其系数如式(2-4)：a,=a,-a ab b a(2-4)显然，当即为正，鬼为负时，鬼最大。一般由纯金属构成的热电偶鬼,，的平均值约为20V/K；由合金材料构成的热电偶，的平均值约为50V/K 而对于半导体材料，%可达1000/V/K。2.2 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2-2),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实验表明，结 点上的换热量(珀尔帖热)与电流成正比如式(2-5)：Q=7T 7i ab(2-5)6式中环仍为一比例常数，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（2-6）：71=dr(2-6)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。对砧也有一个规定符号的问题，这必须与一致。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。2.3 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1。（如图2-3）汤姆逊热与通 过的电流，温度梯度的乘积成正比如式（2-7）：Q=r l-（2-7）T dx式中 2每单位长度导体的吸热（放热率），也称汤姆逊热；。一一比例常数，称为汤姆逊系数；I 通过导体的电流；T-温差；7dTIdx温度梯度。图2-3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口刃。汤姆逊系数、塞贝克系数、珀尔帖系数间的关系如式(2-8)和(2-9)所示：71=aT(2-8)2.4 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(2-10)：qj=I2r=(2-10)8式中：一一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；1导体的长度；S-导体的截面积。2.5 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：Z=-(2-11)或无量纲常数ZT：k a 20TZT=，(2-12)2而热导率由晶格热导率片和电子热导率4两部分组成，即2=乙+乙，故无量纲优值可写为下式表示：ZT=(2-13)Ar+2 L 匕式中：Z-优值；T绝对温度；CT-电导率；。塞贝克系数；4-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。2.6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2-4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 9温差，使高温端保持7；,低温端保持（，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n-p电偶连接起来，就形成 了半导体温差发电模块口用。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n-p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。-图温而高温面温度-低温面-低温而温度-可变负载-输出电流图2-4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 10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一电能量直接转换方式，与现行的机一电变换系统相 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。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。113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皿片1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。3.1测试装置本实验中选用型号为(TEC1-12706L)发电模块进行发电性能测试，如图 3-1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3-2性能测试电路图)保温材料显材料风扇半导体发电模块Q3-1性能测试原理图图半导体发电模块图3-2性能测试电路图-无纸记录仪123.2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通过实验所测得的数据绘制温差电压曲线如图3-3所示温差05101520253035404550输出电压/U00.350.450.660.911.281.581.892.112.19温差556065707580859095100输出电压/U2.422.562.793.043.193.43.663.794.054.2254-.453525150 3.2.L n/田亚S馨温差电压曲线O O1XO 21XOO2O4O608差 温度图3-3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3.2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0.042,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。133.3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0.5欧、1欧、L5 欧、2欧、2.5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。3.3.1 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通过所测得的数据绘制温差电压曲线图，如图3-4所示:0.5欧0.0570.1080.1610.2180.2560.3240.3931欧0.0980.190.280.3830.4470.5810.6881.5欧0.1320.2530.3730.5120.60.780.912欧0.1590.3060.450.6220.7280.9591.1112.5欧0.180.350.520.7180.8411.111.2783欧0.2010.3910.5740.7950.9361.2471.4494欧0.2290.4450.6610.921.0811.4361.6885欧0.2520.490.7381.0141.191.561.8926欧0.2740.5250.7921.091.2881.6912.0277欧0.2880.5510.8331.1541.3721.8112.1588欧0.30.5720.8721.2021.441.8922.2699欧0.3090.5940.911.2471.4911.9642.3710欧0.3110.6150.941.2721.5422.45214温度电压曲线o o o o o o o o o O 7 4 1 8 5 2 9 6 3 0 2.2.2.LLL 6 6 60.负载电阻/欧-10度 20 度30度40度-k 50 度-60 度 80度图3-4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。3.3.2 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405060801020300.5欧0.210.310.420.490.630.741欧0.090.180.270.370.430.570.651.5欧0.080.160.240.330.390.510.582欧0.070.150.220.30.350.470.542.5欧0.070.130.20.280.320.430.53欧0.060.130.180.260.30.40.474欧0.050.110.160.220.260.350.4115续表35欧0.050.090.140.20.230.310.366欧0.040.080.130.180.210.280.337欧0.040.070.110.160.190.250.38欧0.030.070.10.140.170.230.279欧0.030.060.090.130.160.210.2510欧0.030.060.090.120.150.190.24通过所测得的数据绘制温差电流曲线如图3-5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8 O.欧 56 76543210 so.so.o.s S1.5欧 2.5欧 4欧 6欧 8欧 10欧负载电阻/欧T-10 度-20 度30度40度 t50 度-60 度 t80 度图3-5温差电流曲线3.3.3 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16表4可变负载情况下温差与输出功率输出、温差102030405060800.5欧0.00630.02270.04990.09160.12540.20410.29081欧0.00880.03420.07560.14170.19220.33120.44721.5欧0.01060.04050.08950.1690.2340.39780.52782欧0.01110.04590.0990.18660.25480.45070.59992.5欧0.01260.04550.1040.2010.26910.47730.6393欧0.1210.05080.10330.20670.28080.49880.6814欧0.01150.0490.10580.20240.28110.50260.69215欧0.00630.04410.10330.20280.27370.48360.68116欧0.00880.0420.1030.19620.27050.47350.66897欧0.01060.03860.09160.18460.26070.45280.64748欧0.01110.040.08720.16830.24480.43520.61269欧0.01260.03560.08190.16210.23860.41240.592510欧0.01210.03690.08460.15260.2310.380.5885通过所测得的数据绘制温差功率曲线如图3-6所示:负载电阻/欧10-203040*-50一-60图3-6温差功率曲线17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3-6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3-7所示为 温差达到最大时输出功率的变化曲线。输出功率曲线图3-7输出功率曲线由图3-7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3-7可以看出当负载为4欧时所对应的输出功率达到最大值。184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。4.1 概述现代铝工业生产大多采用冰晶石一一氧化铝融盐电解法。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950970c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。散热冷却系统 低温面废热图4-1余热发电原理图其主要原理（如图4-1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 19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。4.2 余热发电装置的设计余热发电实验装置装配示意图如图4-2所示，整个实验装置主要包括图下 儿个部分：高导热系统、散热冷却系统、发电模块、电能引出系统。图4-2余热发电实验装置装配示意图4.2.1 高导热系统如图4-3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20隔热材料和环氧树脂板构成。高阻隔热材料金属材料环氧树脂板图4-3高导热系统装配示意图由图4-2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 270*270*270 mm的正立方体，其中铝板的厚度为3mm,如图4-4所示。X*_s_2_r【一 270 一810 860 图4-4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 21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P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。