LNG冷能利用与低温半导体温差发电研究

【摘要】：液化天然气(LNG)在使用前，必须经过汽化后以气体状态通过管道输送到各个用户，汽化过程中会释放数量众多、品质很高的冷能，将这部分冷能有效利用会带来巨大的经济和社会效益。如何有效提高LNG冷能利用效率一直是人们关注的课题。本文重点介绍了一种通过半导体温差发电方法利用LNG冷能并联合电解水制氢的新设想，对该方案进行了深入的理论和实验研究。此外，还研究了几种利用LNG冷能的新方法，包括改进的联合法发电、温差发电联合动力循环回收LNG冷能、利用LNG冷能液化空气以及太阳电池发电与LNG冷能联合等。 利用LNG冷能的一种主要方法是发电，以前的方法主要是利用LNG的低温冷能使低沸点工质液化，液体工质经泵加压后，再利用海水或空气加热气化，进入气轮机中膨胀做功带动发电机发电，这类方法需要透平、蒸发器等装置，结构复杂、维护不方便。本文首次提出的半导体温差发电利用LNG冷能方案以半导体材料的热电性质为基础，通过将发电元件进行适当组合并配合附属设备形成了一套完整的半导体温差发电装置，该装置具有结构简单、运行平稳、扩充方便等方面的特点。在此基础上完成了温差发电联合电解水的实验研究，开辟了一种利用LNG冷能的新途径。 半导体温差发电元件是本方案中的重要影响因素，因此本文首先对半导体温差发电过程进行了热力学分析，在建立基本模型的基础上推导了温差发电元件内部温度分布函数和冷热端热流的表达式，进而得到输出功率和效率的公式。分析过程中利用了优值系数评价半导体热电材料和元件性能，讨论了热传导、Thomson效应和负载电阻对于输出功率和效率的影响，发现在低温及大温差工况下，Thomson效应的影响显著，不可忽略，这一点在一般教科书中并未提及。 热电元件的性能主要取决于材料，半导体热电材料多种多样，且都有各自的最佳工作温度区间。Bi_2Te_3固溶体合金是目前公认的在室温附近范围内性能较好的热电材料，而较低温度时发电性能良好的半导体材料及元件还研究不多，因此本文对一种Bi_(0.52)Sb_(1.48)Te_3和Bi_2Te__(2.79)Se_(0.21)／TeI_4固溶体合金进行了低温特性测试，