基于LC无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置及控制方法与流程

本发明涉及热电能量回收，具体涉及一种基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置及控制方法。

背景技术：

1、热电发电模块（teg）依托塞贝克效应，可直接将温差热能转化为直流电能，具备无机械运动部件、运行无噪音、使用寿命长、无污染、适配微小温差的核心优势，在工业废热回收、车载尾气能量利用、物联网传感器自供电、穿戴式电子供电领域具备广泛应用前景。

2、常规teg发电回路普遍采用直接接负载的纯直流拓扑结构（例如cn117458683a），实际应用中存在三大核心技术缺陷，导致能量利用率极低、发电量大幅损耗：其一，teg模块自身内阻较大，属于低电压、大电流输出特性，回路电流波动剧烈、纹波系数高，电流流经内阻产生大量焦耳热损耗（i2r损耗），绝大部分转化的电能以热能形式浪费，而非对外输出；其二，模块内阻与负载阻抗难以实现精准匹配，系统长期偏离最大功率输出点，进一步加剧能量浪费；其三，温差波动或间歇式热源工况下，瞬态电能无法有效回收，且回路电流反向扰动会引发微弱珀尔帖效应，产生额外热损耗，进一步拉低整体发电效率。

3、现有技术针对teg发电效率提升多采用有源dc-dc升压电路配合最大功率点跟踪（mppt）模块，此类方案需外接供电、控制电路复杂，自身存在静态功耗，成本高、可靠性差，不适用低温差、微功率场景。

技术实现思路

1、为了解决热电发电模块发电回路内阻损耗大、阻抗失配、波动能量无法回收、存在无效热电损耗的技术问题，本发明提出一种基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置及控制方法，实现回路电流平滑、内阻焦耳热抑制、动态阻抗匹配与瞬态能量缓冲回收，杜绝无效能量损耗。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：一种基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置，包括热电发电模块，所述热电发电模块耦接有lc无源优化网络，所述lc无源优化网络耦接有负载储能单元，所述热电发电模块、lc无源优化网络及负载储能单元构成无源自适应闭环发电回路；所述lc无源优化网络包括串联于热电发电模块输出正极回路的功率电感l和跨接于lc无源优化网络输出两端的滤波储能电容c，所述滤波储能电容c与负载储能单元并联。

3、本技术方案的一种基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置，包括热电发电模块（teg）、lc无源优化网络和负载储能单元，热电发电模块（teg）、lc无源优化网络和负载储能单元依次串联连接，构成无源自适应闭环发电回路，全程无有源控制器件，无额外外接供电损耗。

4、进一步地，所述热电发电模块包括若干片碲化铋基温差发电片，若干片碲化铋基温差发电片相互串联或并联，所述碲化铋基温差发电片具备独立热端吸热面与冷端散热面。

5、进一步地，所述功率电感l能够平滑回路电流和抑制电流纹波，所述滤波储能电容c能够稳定输出电压、回收瞬态波动电能。

6、进一步地，所述负载储能单元为超级电容、锂电池或铅酸电池的任意一种或多种储能组合。

7、进一步地，所述功率电感l的参数范围为100μh-500μh，所述滤波储能电容c的参数范围为100μf-1000μf。

8、进一步地，所述滤波储能电容c采用铝电解电容、薄膜电容或陶瓷电容的任意一种或多种电容组合。

9、进一步地，所述无源自适应闭环发电回路的回路电流纹波系数不大于5%。

10、本技术方案中，回路电流纹波系数≤5%，同等温差下有效发电量较传统直流回路提升20%以上。

11、进一步地，本技术方案中，回路电流纹波系数≤5%，同等温差下有效发电量较传统直流回路提升20%以上。

12、本技术方案中，温度监测模块的数量不进行限定，主要能够获取得到热电发电模块的热端吸热面与冷端散热面的实时温度数据即可。

13、进一步地，所述温度监测模块还耦接有控制模块，所述控制模块接收来自温度监测模块的温度数据，通过与预设阈值比对，判断是否需要调整控制热电发电模块的实时电流。

14、本技术方案中，通过温度监测模块和控制模块，能够实时监测温差并控制热源供给或散热强度，使热电发电模块工作在预设温差范围内。

15、一种基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置的控制方法，适用于上述的基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置，包括以下步骤：

16、s1，热电发电模块热端吸收低温余热，冷端自然散热形成温差，产生微弱直流电压；

17、s2，波动电流经功率电感l平滑处理以消除电流尖峰；

18、s3，滤波储能电容c吸收瞬态波动电能，稳定输出电压；

19、s4，稳定电能输送至负载储能单元，全程无珀尔帖制冷损耗。

20、本技术方案中，teg模块热端吸收低温余热，冷端自然散热形成温差，产生微弱直流电压；波动电流经功率电感平滑，消除电流尖峰，降低内阻发热；滤波储能电容吸收瞬态波动电能，稳定输出电压，实现阻抗匹配；稳定电能直接输送至混合储能单元，全程无珀尔帖制冷损耗，所有电能全部在储能。

21、本发明能够带来如下的有益效果。

22、（1）无源无额外功耗：全程采用纯电感、电容无源器件，无需外接电源与控制电路，无静态功耗与驱动损耗，结构极简，可靠性远超有源升压方案，适配各类低温差、微功率场景。

23、（2）损耗抑制效果显著：平滑回路电流后，teg内阻焦耳热损耗降低50%以上，彻底消除珀尔帖效应引发的制冷类无效损耗，能量利用率大幅提升。

24、（3）发电量提升明显：相较于传统纯直流直接负载回路，同等温差工况下，有效发电量提升20%~85%，低温差工况下提升效果尤为突出。

25、（4）工况适应性强：可适配恒定温差、波动温差、间歇式热源多种工况，并联电容实现瞬态能量缓冲，保证输出电能稳定，适配后端敏感用电设备。

26、（5）成本低廉、易集成：无源器件体积小、成本低，无需复杂调试，可直接与现有teg模块拼接集成，适用工业余热回收、物联网传感器、穿戴电子多场景规模化应用。

1.一种基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置，其特征在于，包括热电发电模块，所述热电发电模块耦接有lc无源优化网络，所述lc无源优化网络耦接有负载储能单元，所述热电发电模块、lc无源优化网络及负载储能单元构成无源自适应闭环发电回路；所述lc无源优化网络包括串联于热电发电模块输出正极回路的功率电感l和跨接于lc无源优化网络输出两端的滤波储能电容c，所述滤波储能电容c与负载储能单元并联。

2.根据权利要求1所述的基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置，其特征在于，所述热电发电模块包括若干片碲化铋基温差发电片，若干片碲化铋基温差发电片相互串联或并联，所述碲化铋基温差发电片具备独立热端吸热面与冷端散热面。

3.根据权利要求1或2所述的基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置，其特征在于，所述功率电感l能够平滑回路电流和抑制电流纹波，所述滤波储能电容c能够稳定输出电压、回收瞬态波动电能。

4.根据权利要求1或2所述的基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置，其特征在于，所述负载储能单元为超级电容、锂电池或铅酸电池的任意一种或多种储能组合。

5.根据权利要求3所述的基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置，其特征在于，所述功率电感l的参数范围为100μh-500μh，所述滤波储能电容c的参数范围为100μf-1000μf。

6.根据权利要求3所述的基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置，其特征在于，所述滤波储能电容c采用铝电解电容、薄膜电容或陶瓷电容的任意一种或多种电容组合。

7.根据权利要求1所述的基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置，其特征在于，所述无源自适应闭环发电回路的回路电流纹波系数不大于5%。

8.根据权利要求1或2所述的基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置，其特征在于，还包括温度监测模块，所述温度监测模块安装于热电发电模块的热端吸热面与冷端散热面。

9.根据权利要求8所述的基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置，其特征在于，所述温度监测模块还耦接有控制模块，所述控制模块接收来自温度监测模块的温度数据，通过与预设阈值比对，判断是否需要调整控制热电发电模块的实时电流。

10.一种基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置的控制方法，适用于权利要求1-9任一项所述的基于lc无源阻抗匹配的低损耗热电发电装置，其特征在于，包括以下步骤：