压电与形状记忆合金复合型热能发电技术与方法研究

A new composite thermal power generation equipment is presented, which has high reliability and energy conversion efficiency. The equipment is based on the energy conversion, i.e., the heat energy converts into mechanical energy via shape memory alloy and then the mechanical energy transforms into electric energy by the deformation or vibration of piezoelectric vibrator. However, the technology and method behind the equipments in lack both domestic and abroad.The multi-physics coupling mechanisms of wind, heat, force and electric in waste heat power generation, dynamic modeling and analysis of composite power vibrator and other key scientific issues will be solved in this project. On this basis, the working principle, new technique, electricity phenomenon and experimental data will be demonstrated, explored, inspected and obtained. The new technology and methods of system composition, structural design, energy conversion and power collection and storage will be developed. The feasibility of this technology will be affirmed by several effective experiments.Meanwhile, a universal application of guiding design method and calculation basis will be offered for comprehensive technique on utilization of waste, e.g., waste heat and waste hot water, etc., and lay the foundation for subsequent research.The project is original, initial and tentative, probably the practical value of thermal power generation equipment can’t be formed, but may lead to the new utilization technology and equipment of waste energy, e.g., waste heat, waste hot water, etc., and will be very helpful for energy-saving and reducing carbon emission, therefore, create better social and economic benefits.

提出一种以形状记忆合金转换热能为机械能、再以机械能促动压电振子变形(或振动)进而发电的技术与方法，由此发挥各自优点形成一种换能效率好、可靠性高的新型复合热能发电装置。解决废热气发电中的风-热-力-电的多物理场耦合作用机制、复合发电振子动力学建模和分析等关键科学问题，在此基础上论证工作原理、探寻技术方法、考察发电现象、获取试验数据，形成系统构成、结构设计、能量转换、电能的收集与储存等方面的关键技术，并以对微电子设备驱动试验确认这一技术的可行性。同时为废热气、废热水等的综合利用技术提供一种普遍适用的引导性设计方法与计算依据，奠定后续研究基础。项目本身属于初创性的、探索性的，目前国内外尚未见有相同研究。可能形成废热气、废热水等新的废能利用新技术与新装置，并对节能降耗、减少碳排放等起到一定促进作用，产生较好的社会效益与经济效益。

人们日常生产、生活中的能源消耗大部分产生余热,并以废热气、废热水等形式排出，既浪费大量能源,也污染环境,与当前低碳环保、节能降耗的社会发展要求并不协调，亟待加以改变。本项目提出一种将形状记忆合金与压电振子相结合，以形状记忆合金转换热能为机械能、再以机械能促动压电振子变形(或振动)进而发电的技术与方法，希望为小型余热性发电技术提供一种新思路或新方法。.项目研究中根据形状记忆合金与压电振子的特点，提出了两种形状记忆合金与压电器件相结合的热电转化方法，即设计出将形状记忆合金丝与压电振子固定连接的旋转式热电转化、以及形状记忆合金受热驱动轮轴转动型的压电发电的两种连续发电结构，在此基础上设计、试制了系统样机，进行了仿真分析与试验。.有关的结果表明，本项目的第一种发电方法能够在热风环境中受风力作用发生自发的转动进而实现连续的发电，其在承受100℃热风加热时的开路电压为11.6V；本项目的第二种发电方法通过形状记忆合金的热变形能够实现热能向机械能的转换，且借助推动轮系转动而拨动压电振子变形发电，其瞬时产生的电压最大可为10.64V;此外，将热电转化装置发出的电能经过全桥电路整流后存储在电容中。充满后的电容所存储的电量约为0.018J，可以给微型电路供电。连续发电装置进行热能收集，经过40min后，存储电能的电容两端电压能达到3.47V，电能大小为6mJ，大约是普通遥控器发射12次信号所需的电量。.本项目有关的研究还属于初期探索性的，依据目前的研究结果还不能形成具有实用价值的热发电装备。但作为一类新型的热-力-电的能量转换技术研究，有利于在更宽范围、更深层次上认识压电器件与形状记忆合金结合的热发电行为、能量转换机制及其普遍规律，具有一定的科学意义，也可能为未来出现的新型热-电转换、风-电转换以及其它的热能发电等提供理论与技术参考，具有一定的社会意义。