【摘要】：為了解決工業(yè)余熱、廢熱重新利用的問題以及響應(yīng)國家節(jié)能減排的號(hào)召,本文基于熱電效應(yīng)設(shè)計(jì)并研制出了一種在實(shí)驗(yàn)室條件下可以實(shí)現(xiàn)的低溫差發(fā)電儀,實(shí)現(xiàn)了溫差發(fā)電目標(biāo)以及演示功能。主要工作可總結(jié)為以下五個(gè)方面：(1)半導(dǎo)體溫差發(fā)電儀總體方案的設(shè)計(jì)及研究。根據(jù)溫差發(fā)電基本原理,建立半導(dǎo)體溫差發(fā)電儀器的理想模型并利用熱力學(xué)理論對(duì)其進(jìn)行研究分析,推導(dǎo)出溫差發(fā)電器件輸出特性的表達(dá)式。在定性探究影響溫差發(fā)電儀輸出性能主要因素的基礎(chǔ)上,分析半導(dǎo)體溫差發(fā)電儀各功能分區(qū)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成和工作機(jī)理,重點(diǎn)闡述半導(dǎo)體溫差電儀控制系統(tǒng)的組成核心。根據(jù)該儀器總體設(shè)計(jì)原則以及項(xiàng)目新需要,從可維護(hù)性、美觀性以及后續(xù)的可升級(jí)性的角度,給出其總體設(shè)計(jì)方案。使用STM32F103C8T6作為主控單元,由電壓電流檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、溫度控制電路、人機(jī)交互模塊及溫度采集單元等構(gòu)成硬件電路控制模塊,再結(jié)合PID控制算法和上位機(jī)統(tǒng)計(jì)算法等完成溫差發(fā)電儀總體方案的設(shè)計(jì)。(2)半導(dǎo)體溫差發(fā)電儀的硬件設(shè)計(jì)方案的研究及實(shí)現(xiàn)�；跍夭畎l(fā)電儀控制系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊,提出了該儀器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案。在歸納各個(gè)模塊硬件電路實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上并結(jié)合其要完成的功能來搭建具體電路。溫差發(fā)電器件的輸出電壓經(jīng)由放大濾波鉗位等電路輸入到主控芯片STM32F103C8T6上的ADC,再把轉(zhuǎn)化結(jié)果輸入PID運(yùn)算,利用PID輸出結(jié)果控制PWM輸出的脈寬,從而控制發(fā)電模塊發(fā)熱時(shí)長(zhǎng),達(dá)到控制溫度的目的,使輸出電壓穩(wěn)定然后帶動(dòng)負(fù)載電路工作。溫度采集單元起輔助控制作用,所有采集的數(shù)據(jù)都經(jīng)由串口轉(zhuǎn)USB電路發(fā)送到上位機(jī)。(3)半導(dǎo)體溫差發(fā)電儀軟件設(shè)計(jì)方案的研究及實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體溫差發(fā)電儀控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是研制該儀器的關(guān)鍵環(huán)節(jié),軟件部分主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成,上位機(jī)使用C#編寫,其負(fù)責(zé)采集串口發(fā)來的數(shù)據(jù),并完成數(shù)據(jù)解包、存儲(chǔ)、分析、繪制曲線圖等功能；下位機(jī)使用C編寫,主要完成采集溫度、電壓轉(zhuǎn)換、簡(jiǎn)單人機(jī)交互、控制發(fā)熱器件溫度、控制負(fù)載等功能,并把所有數(shù)據(jù)打包由USB轉(zhuǎn)串口發(fā)送到上位機(jī)。(4)半導(dǎo)體溫差發(fā)電儀測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案的研究及實(shí)現(xiàn)。根據(jù)熱力學(xué)基本熱流法來確定溫差發(fā)電儀從上至下的垂直安裝順序,從而方便地為熱量傳輸提供了一個(gè)垂直流動(dòng)渠道。再結(jié)合儀器外形要美觀大方以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理規(guī)范的原則,搭建出半導(dǎo)體溫差發(fā)電儀器測(cè)試平臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬熱源,采用DJR-G型硅橡膠加熱器作為加熱器件、翅片散熱器作為散熱器件再結(jié)合保溫層,構(gòu)成了溫差發(fā)電儀測(cè)試平臺(tái)。(5)半導(dǎo)體溫差發(fā)電儀性能測(cè)試的實(shí)現(xiàn)。利用該儀器對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件的發(fā)電特性進(jìn)行研究分析,得到以下規(guī)律：負(fù)載電阻對(duì)溫差發(fā)電器件有著復(fù)雜的影響。隨著負(fù)載電阻增加,輸出功率先增加后減小,當(dāng)達(dá)到匹配電阻時(shí)達(dá)到最大值；溫差發(fā)電器件的冷端對(duì)輸出功率影響較大,選擇不同的散熱模式,輸出功率是不同的,而有效的散熱策略會(huì)提高輸出功率。本課題的成功實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電進(jìn)一步的應(yīng)用研究及該領(lǐng)域人才培養(yǎng)提供了良好平臺(tái),并為今后工業(yè)低品位余熱重新利用找到了一條新路。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM913

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本文編號(hào)：2254715