基于材料耦合效應的環(huán)境能量回收及其在建筑中的應用.pdf

1、本論文研究的目的是對包括溫差發(fā)電效應、熱釋電效應和壓電效應在內的三種材料耦合效應應用于自然環(huán)境中進行能量回收時的系統(tǒng)進行優(yōu)化設計和建模分析，并最終通過實驗測量對其在房屋建筑周圍的具體應用進行可行性評估。
　　 本論文首次提出了利用以相變材料為熱慣性單元與熱電材料相結合的方法，將自然環(huán)境中不連續(xù)的光熱源轉變?yōu)闊犭姴牧仙喜婚g斷的溫差從而實現(xiàn)連續(xù)發(fā)電的效果。我們對包括熱交換器在內的各系統(tǒng)結構進行了設計并制作了實驗原型，驗證了連續(xù)溫差發(fā)

2、電的想法。通過室內模擬環(huán)境載荷和室外實際環(huán)境測量發(fā)現(xiàn)Bi2Te3基溫差發(fā)電器件最大和平均輸出功率密度分別達到了1Wm-2和0.12Wm-2，該測量值是在匹配外阻負載情況下獲得。而后通過ANSYS有限元仿真和等效電路方法建模對該溫差發(fā)電系統(tǒng)在以環(huán)境溫度、日照強度和表面對流強度為載荷的邊界條件下進行了輸出特性分析，分析結果與實測響應趨勢吻合較好。
　　 本論文還首次提出了利用自然風的隨機性和冷卻特性與光熱相結合作為熱釋電材料的有效熱

3、載荷進行能量回收，這種想法使以往的基于實驗室內的熱釋電發(fā)電實驗機構向真實應用邁出了重要一步，還使得熱釋電發(fā)電系統(tǒng)獲得了結構上的巨大簡化。我們設計了室內熱釋電發(fā)電測試系統(tǒng)并通過其驗證了增強對流強度能夠導致溫度快速下降進而發(fā)電的思路。實驗表明當最劇烈的溫度變化達到16℃每分鐘時蜂鳴器用壓電材料通過熱釋電效應能夠輸出0.6mWm-2的功率密度，該測量值是在進行AC-DC變化后對外部電容充電時獲得。當我們對其進行等效電路建模時發(fā)現(xiàn)仿真結果能夠對

4、實測響應進行非常好的預測，進一步證實了利用該原理進行熱釋電能量回收的可行性并為未來的設計分析評估奠定了基礎。
　　 本論文還對一種最近新提出的諧振腔式壓電風能回收裝置的特性進行了深入分析。該系統(tǒng)的工作原理類似于口風琴，其核心問題在于顫振現(xiàn)象中流固耦合過程的數(shù)學建模。本文對以往研究忽略的諧振腔內動壓變化與壓電單晶片振動情況之間的相互關系以及起振過程的特性進行了實測分析，更重要的是對實際環(huán)境中能夠回收的風能進行了評估。實驗原型在入口