半导体温差发电特性分析及性能优化控制研究

摘要

半导体温差发电是利用热电器件将热能直接转化为电能的一项技术，它具有无机械部件、可靠性高、结构紧凑简单、无污染、无噪音、在微小的温差下就可产生电动势等优点，在解决废热、余热回收利用方面受到越来越多的关注。由于材料的限制，目前半导体温差发电的热电转化效率只有5％~7%，所以在实际应用中采用不同的控制手段来提高温差发电的发电效率是目前研究的关键。
　　首先，本文针对半导体温差发电原理，对半导体温差发电传热过程进行详细分析，采用一种等效不可逆热机的传热模型得出温差发电的特性方程，并利用MATLAB软件对其各个参数之间的关系进行详细分析。
　　其次，根据半导体温差发电输出功率随输出电压的变化特点，对其进行最大功率点跟踪控制，使其在温差发生变化时仍然可以达到最大的功率输出。分析最大功率点跟踪控制的原理，结合传统扰动观察法的优缺点，采用一种适合温差发电的改进的变步长扰动观察法，并进行仿真验证。
　　然后，详细分析了输出功率和热电转换效率随电流的变化关系，提出半导体温差发电的最优工作区间，并设计控制器使半导体温差发电工作于此最优工作区间内，与传统MPPT控制相比，提出的最优工作区控制不仅能保证温差发电高功率输出而且能保证较高的热电转换效率，并且稳态波动小，由于只用一个电流传感器，控制简单，提高了能量利用率。
　　最后，采用TEC1-12708T200型半导体温差发电片，在实验室中搭建半导体温差发电平台，热端采用电加热，冷端采用风冷方式。分别测得半导体温差发电片开路特性、伏安特性、电压-温差特性、功率-温差特性、功率-电压特性、功率-电流特性、效率-电压特性、效率-电流特性、功率-负载特性以及温差发电片串并联特性。设计并搭建基于DSP的温差发电控制电路，以Boost电路为基础，实现温差发电MPPT控制和最优工作区控制。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 背景及意义

1.2 半导体温差发电技术发展及应用现状

1.3 本文的研究内容

2 半导体温差发电理论模型及特性分析

2.1 半导体温差发电工作原理分析

2.2 半导体温差发电特性分析

2.3 本章小结

3 半导体温差发电MPPT控制研究

3.1 DC-DC电路的选择

3.2 最大功率点跟踪原理

3.3 半导体温差发电最大功率点跟踪方法

3.4 变步长扰动观察法

3.5 仿真分析

3.6 本章小结

4 半导体温差发电最优工作区控制研究

4.1 半导体温差发电最优工作区的提出

4.2 最优工作区控制研究

4.3 本章小结

5 实验

5.1半导体温差发电实验台架设计

5.2半导体温差发电特性综合测试

5.3 基于Boost的半导体温差发电优化控制实验设计

5.4 实验结果分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

硕士期间发表的论文