基于热电的能量收集及协同制冷系统的设计与实现

作     者：张剑南 

作者单位：上海理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王宁

授予年度：2021年

学科分类：080705[工学-制冷及低温工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：能量收集 热电发生器 最大功率点追踪 热电制冷器 协同制冷 热电转换 FPGA 

摘      要：当今世界电能的广泛使用加速了人类社会的快速发展,但也引发了环境污染和全球变暖等问题。为了减少这些负面影响,研究人员正在致力于使用清洁能源来代替以火力发电以主要获取方式的传统能源煤炭。而热电发生器(Thermoelectric Generator,以下简称TEG)已经被证实可以通过塞贝克效应(Seebeck Effect)直接将热能转化为电能,且这种转化对环境零污染。同时TEG通常具有无噪音,耐高温,适合集成等特性。基于这些优势,多个TEG所组成的TEG阵列被发展为一种新型清洁电源,常用于较大温差环境的应用领域,如工业排热和电力电子设备系统中废热收集的电能转化。然而,在实际的电能应用系统中由于TEG阵列的输出负载较易变化,因此回路中无法获得最大的输出功率,严重降低了输出能效。为了解决上述问题,本文提出了一种改进型快速终端滑模变结构控制算法(Fast Terminal Sliding Mode Control,以下简称FTSMC)实现时刻追踪并保持TEG阵列的输出功率维持在峰值,即最大功率点上。相异于传统最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking,以下简称MPPT)技术,所提算法的非线性滑模面采用的变结构滑模控制函数能使整个TEG阵列系统的功率输出获得全局稳定性,进而在任何位置均可以收敛至滑模面,降低抖振发生概率。为了验证所提FTSMC算法的有效性,本文搭建了数字建模、仿真和现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,以下简称FPGA)实验开发平台。与传统的滑模算法相比,该算法拥有更快的响应速度与极高的转换效率。实验结果表明,其跟踪响应速度可达0.08s,最大转换效率为99.91%。为进一步提升TEG电能在热电组件的能效利用,本技术同时也可用于光伏发电的功率调控。本文研究了基于TEGTEC(Thermoelectric Generator-Thermoelectric Cooler)协同制冷热管理系统。提出了一种新型TEG辅助TEC的压控恒流电路制冷方法,并建立了协同制冷系统的精确SPICE模型。该方法使得TEG将收集到的热能转化为电流补充至TEC回路,从而降低系统功耗并提高TEC的冷却能力。实验结果表明,流入TEC的电流与SPICE模型中TEC的电流平均差异小于4.8%。同时,基于已验证的SPICE模型,从功耗、制冷能力、性能系数和制冷效率等方面对所提出的TEG-TEC协同冷却系统进行了评估。与典型的热电协同制冷系统相比,所提出的新型协同冷却系统实现了显著的能效增强,可用于大功率LED,激光器的散热。