發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案-文庫(kù)吧資料
2025-05-01 13:29本頁(yè)面
【正文】 器模塊中心的是一通氣管道，材料為導(dǎo)熱較好的銅，在管道的內(nèi)部加了一井字形的材料為銅的導(dǎo)熱肋板，提高整個(gè)管道的導(dǎo)熱率，提高整體的熱利用率。而熱電堆的PN結(jié)相對(duì)于溫度場(chǎng)是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，每一對(duì)PN 結(jié)均有相同的溫差，故每一對(duì)PN結(jié)串聯(lián)后，產(chǎn)生的功率相對(duì)較大，最終選擇了熱電堆式熱電發(fā)電器作為熱電電源的核心部件來(lái)設(shè)計(jì)。微卷式（SwissRoll）熱電轉(zhuǎn)換器熱損失比較小，對(duì)熱能的利用率比較高，但其微加工比較困難所以沒(méi)有采用。設(shè)計(jì)這個(gè)模塊的整體形狀要以熱量的最大利用為目標(biāo)。微小型熱電發(fā)電器的輸出功率和效率受到接觸內(nèi)阻、湯姆孫效應(yīng)和溫度變化的影響以及導(dǎo)熱覆蓋片、導(dǎo)流片和焊料層對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響（該設(shè)計(jì)中由于體積較大，故可忽略焊料層對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響）。我們?cè)谶@里選擇熱電堆式熱電發(fā)生器作為熱電電源的核心部件來(lái)設(shè)計(jì)。當(dāng)然發(fā)電器的結(jié)構(gòu)還有很多，如自停止多晶硅金屬結(jié)構(gòu)微熱電發(fā)電器等等，但是就我們目前的選取的幾種經(jīng)過(guò)上述分析比較得出的結(jié)果是：微卷式熱電轉(zhuǎn)換器熱損失比較小，對(duì)熱能的利用率比較高，但其微加工比較困難；同時(shí)由于熱電材料沿溫度梯度方向線性串聯(lián)排列，每一部分熱電材料的溫差事實(shí)上不大，使其產(chǎn)生的功率也受到了限制。JPL 的CrossPlane 微熱電發(fā)生器件雖然能達(dá)到很高的功率密度值，但是某些應(yīng)用場(chǎng)合卻需要更低的微瓦級(jí)功率，如小型傳感器和放大器線路的供電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以上方法完全可以用于MEMS 微系統(tǒng)，為其提供微型電源。同時(shí)，一個(gè)微熱電發(fā)電器件連接數(shù)萬(wàn)個(gè)熱電偶，以在低溫差下獲得伏特級(jí)的高電壓，此微熱電發(fā)電器件的另一特點(diǎn)是，其制造工藝結(jié)合了電化學(xué)淀積和集成電路的刻蝕工藝。其原理是：根據(jù)塞貝克效應(yīng)，當(dāng)發(fā)電器熱端和冷端存在溫差時(shí)，會(huì)在回路中產(chǎn)生電流。如下圖圖35 CrossPlane這種器件的結(jié)構(gòu)和普通的CrossPlane 型微熱電制冷器件是一樣，CrossPlane 結(jié)構(gòu)微熱電制冷器件的原理和傳統(tǒng)的體熱電制冷器件非常類似，只是襯底和熱電偶臂本體半導(dǎo)體材料換成了薄膜材料，由于在這種結(jié)構(gòu)的制冷器中，熱流的方向與襯底表面垂直故有如此稱呼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為，襯底垂直側(cè)面溫差為10K 時(shí), 。其測(cè)試器件由硅材料構(gòu)成，P 型和N 型的熱電臂長(zhǎng)寬分別為500μm 和7μm，通過(guò)在中間10μm 厚的硅薄膜上摻雜形成，摻雜深度為lμm，熱電偶連接的數(shù)量有10 個(gè)。測(cè)試結(jié)果表明，每個(gè)長(zhǎng)、寬、高分別為450μm, 100μm, 。英國(guó)Cardiff 大學(xué)的熱電研究中心先后采用藍(lán)寶石上的硅膜和石英上的多晶硅膜作為熱電材料，制作了為心臟起搏器供電的微型熱電發(fā)電器件。得到的仿真結(jié)果如圖33所示。他們?cè)O(shè)計(jì)了微型和中型的兩種方案，如下圖圖 32 Swiss Roll 的2 維和3 維的結(jié)構(gòu)模型這就是這種Swiss Roll 的2 維和3 維的結(jié)構(gòu)模型。與此相類似的還有南加州大學(xué)的方案，他們運(yùn)用的也是Swills Roll 的結(jié)構(gòu)，是名叫Microfire 的微型電源系統(tǒng)，他是用電化學(xué)微機(jī)械加工技術(shù)（EFAB）將微燃機(jī)。 美國(guó)普林斯頓大學(xué)研究的方案圖 31 SWISS ROLL在此裝置中，雙盤旋的管道是燃?xì)饣瘜W(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，所以稱為SWISS ROLL，我們也稱為微卷式電熱發(fā)生器，**5mm，材料為氧化鋁陶瓷，通過(guò)Daestro 微加工方法實(shí)現(xiàn)三維實(shí)物，,燃料和空氣由泵注入通道，在Swiss Roll 中心通過(guò)兩個(gè)電極點(diǎn)燃，引發(fā)燃料的持續(xù)燃燒．燃料燃燒后的廢氣通過(guò)管道排出。選擇開(kāi)始水溫為：20 ℃ 水的流量為：q1 ＝ v1*s 末溫為 25℃選擇尾氣溫度為：800℃ 尾氣的流速為：v2＝3 m/s 末溫為100℃水的比熱C1＝4200 j/kg*℃ 尾氣的比熱 C2=1003 j/kg*℃水的密度ρ1＝1000kg/ 尾氣的密度 ρ1＝假設(shè)：忽略熱的損耗，則 Q水＝Q氣 Q= C*M*＝C*ρ*V*=C*ρ*v*s*t*設(shè)： S水道 ＝ S氣道 t1 ＝ t2 則 C1*ρ1*q1*1＝C2*ρ2*v 2*2 現(xiàn)在假設(shè)有三個(gè)模塊組成余熱發(fā)電系統(tǒng)P=== CM CρV=Cρvs（通氣管道截面積）t選擇尾氣溫度為：800℃ 末溫為100℃尾氣的比熱 C2=1003 j/kg*℃ 尾氣的密度 ρ1＝ kg/尾氣的流速為：v2＝1 m/s t== = ss（通氣管道截面積）= = = 700 ℃ = CM CρV= W =第3章 余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)歸納起來(lái)在目前研究和應(yīng)用比較普遍和成功的結(jié)構(gòu)上，熱電發(fā)電器主要有微卷式，熱電堆和薄膜熱電發(fā)電器等等幾種結(jié)構(gòu)。由電流回路，消除未知量電流I ，可以得到發(fā)電器的輸出功率P 為： （2－12）由上述三式可得到熱電發(fā)電器的轉(zhuǎn)換效率為:上述公式中，內(nèi)阻R 為P 、N 半導(dǎo)體電偶臂的電阻，其計(jì)算公式為: （2－14）式中：ρN －N 型電偶臂電導(dǎo)率；L N －N 型電偶臂臂長(zhǎng)；A N －N 型電偶臂截面積；ρP －P 型電偶臂電導(dǎo)率；L P －P 型電偶臂臂長(zhǎng)； P －P 型電偶臂截面積。導(dǎo)熱覆蓋基板的材料是氧化鋁陶瓷，有效熱導(dǎo)率λc 1（20 W/m.℃～30 W/m.℃），這里設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)依次遞增λc 1 = 5 W/m.℃ （存在接觸間隙）導(dǎo)熱覆蓋基板厚度?。簂 c1 = 1 mm導(dǎo)熱覆蓋基板的面積?。篈 c1= 100mm*100mm導(dǎo)流片的材料是銅, 有效熱導(dǎo)率λc 2 = 401W/m.℃ （查自《傳熱學(xué)》趙鎮(zhèn)南 高等教育出版社 P492 附錄 3）導(dǎo)流片厚度?。簂 c2= 1 mm導(dǎo)流片面積取: A c2= 21mm*1mm電偶臂材料是 Bi2Se3，有效熱導(dǎo)率λc 3 = 140 W/m.℃ 電偶臂厚度?。簂 c3= mm電偶臂面積取: A c3= 3mm*3mm所以：K c1 = = 50 W/℃ K c2 = = W/℃K c3 = = W/℃Kａ == W/℃傅立葉效應(yīng) Qk= (ThTc) = KT設(shè)：熱端溫度啟始為800℃ 冷端溫度為20℃所以：Qk總= KａT總 = W/℃ * 780℃ = WQk1= K c1T1 = Qk2= K c2T2 = Qk3= K c3T3 = Qk總 = 所以： T1 = ℃ T2 = ℃ T3 = ℃ 單個(gè)電偶臂的功率計(jì)算和效率計(jì)算按照牛頓熱力學(xué)定律，熱電發(fā)電器電偶臂兩端存在溫差時(shí)，產(chǎn)生熱流。一對(duì)PN 電偶臂熱電發(fā)電器主要包括電絕緣導(dǎo)熱覆蓋片、導(dǎo)流銅片和焊料層。當(dāng)電偶臂兩端存在溫差時(shí)，P、N 結(jié)兩種不同熱電材料將產(chǎn)生塞貝克（Seebeck）效應(yīng)，故而在回路中產(chǎn)生電流。對(duì)普通尺寸熱電發(fā)電器，一般按照?qǐng)D2－2 這種一對(duì)P、N 電偶臂簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析計(jì)算。 余熱發(fā)電器的理論模型描述熱電發(fā)電器熱電轉(zhuǎn)換性能的參數(shù)主要包括輸出功率和熱電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)電導(dǎo)，熱導(dǎo)的通常定義，可把這種熱—電偶合效應(yīng)表示為：矩陣表示形式為： 式中，分別是電流，熵流和熱流密度，以及T 分別為電場(chǎng)強(qiáng)度、溫度差、電導(dǎo)率、Seebeck 系數(shù)、熱導(dǎo)率和溫度。從上兩項(xiàng)關(guān)系式可導(dǎo)出單一
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