温差发电片应力分析及一种改进措施

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1、传热传质学编号:113167屮国丄程热物理学会学术会议论文温差发电片应力分析及一种改进措施王银涛I杨华峰I刘伟I范爱武I杨金国I李鹏2(1华屮科技大学能源与动力工程学院，武汉4300742武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉430070)(Tel:027-87542618E-mail：w_liu@hust.cdu.cn)摘要：本文利用有限元分析软件ANSYS建立了温差电偶和整体温差发电片结构的模型，计算得到了温差电偶和整体结构在热负荷下的应力分布特点，并对针对其应力集中地部位进行了优化设计，减小了应力

2、集中的程度，有助于提高温差发电片的可靠性和使川寿命。关键词：半导体；温差发电；热应力；可靠性。0刖吞温差发电器是利用塞贝克效应，将热能百-接转换成电能的一种发电器件。温差发电器是一种静态的固体器件，没有转动部件，它体积小、寿命长，工作时无噪声，而且无须维护。因此在航天和军事领域冇着广泛的应用背景⑴。随着石化能源的枯竭，美国、H本、欧盟等发达国家更加重视温差发电技术在民用领域的研究，利用太阳能、地热能、工业余热废热等低品位能源转化成电能。国内也有针对太阳能和汽车尾气余热进行发电的研究，取得了很大的进展。温差电组件

3、耍达到较高的发电效率，通常耍求发电组件冷热端Z间形成较大温差，这将造成冷端连接片收缩或热端连接片膨胀，从而产生机械应力。机械应力的存在使得刚性的接头或P、N电臂很容易断裂，最终可能导致温差电偶的损坏，降低了整个发电器件的可靠性，缩短了温差电纟R件的使用寿命⑵。因为热而导致材料的形变和热膨胀失配,进而产生的热力耦合町靠性问题居各种可靠性问题之首。文献［3・6］对温差电偶以及温差发电片的热应力进行了研究分析。本文对常见的温差发电片运用ANSYS软件进行了数值计算，对其中的应力分布进行了讨论，并针对应力集中地地方进行

4、了优化，得出的结论对温差发电片的优化设计有重要的指导意义。1数学物理模型1・1温差发电原理温差发电的理论基础是固体的热电效应，在无外磁场存在吋，它包括五个效应，导热、焦耳热损失、塞贝克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。最简单的热电单元为温差电偶，如图1所示。将一个P型温差电元件和一个N型温差电元件在热端用金属导体电极连接起來，在其冷端分别用电极连接，就构成一个温差电偶，也称温差电单偶。在温差电偶开路端接入电阻负载，如果温差电偶的热面流入热流，在温差电偶热端和冷端

5、ZI'可建立了温差，则将会有电流流经电路，从而得到了热能直接转换为电能的发电器。图1温差发电基本原理若热端温度为Th,冷端温度为Tc,内阻为R,夕卜界负载为Rl，温差电系数为温差电偶产牛的温差电系数为aNp=aN_0Cp，其中色、Qp分别为N极电偶和P极电偶的塞贝克系数，则温差电偶产牛的温差电势为：]=aNP(Th-Tc)(1)产生的电流为：―U_aNP(Th-Tc)R+R]R+R](2)输出功率为：P=Fr=a吐⑺-呼L(R+R$L(3)1.2ANSYS建模本文对目前应用最为广泛的三明治式温差发电片，分别针

6、对其内部温差电偶和整体温差发电片，在一处的简化条件下建立了模型，用ANSYS软件进行了热—电—结构综合计算，并主要针对热应力进行分析和讨论。温差电偶由连接铜片、焊料层、線层和P型、N型材料组成，如图2所示。整体热电片山32对温差电偶在陶瓷基板上串联组成，不考虑内部温差电偶之间的填充物，如图3所示。对所有材料，均假设为各向同性，不考虑材料参数随温度变化的影响，取常温下材料参数，见表1。图2温差电偶模型图3温差发电片模型表1材料物性杨氏模量泊松比热膨胀系数热导率电阻率Seeback数材料/单位GpaIO'6m/Kw

7、/(mK)OhmmV/K陶瓷3100.217.217NANA铜连接片1170.317.13901.7x10-8NA鎳2010.313.790.56.84x10-6NA焊料830.3112301.64x10-8NAP型材料41.80.314.431x10-5-0.00021N型材料41.80.314.431x10-50.000212数值计算结果及分析2.1温差电偶计算结果及分析在温差电偶中，P型和N型材料均为边长为2mm的正方体，上面覆盖的焊料层和線层厚度为75Pm,铜连接片厚度为0.3mmo为对比P型和N型材料

8、截面形状对热应力的影响,计算了与正方形截而积相等圆柱形温差电偶模型。两者都在热端温度为327°C,冷端温度为27°C,负载为1Q时求解温差电偶的热应力。图4所示为电偶中温度分布。图5所示为电偶中整体的Vonmises（范米塞斯）等效应力，在疋方形截面电偶中，P型、N型材料以及焊料层和鎳层的四角出现了应力集中，最大应力发生在铜连接片和焊料层接触而；在圜形截面电偶中，应力分布较为均匀。图7