“层叠式”热电器件的热-应力-发电性能-研究

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1、摘要近30年以来，由于人们愈加认识到传统能源的非可持续性和污染性，关于各种新能源和清洁能源的研究都蓬勃开展起来。温差电技术利用温差条件下晶格中载流子和声子运动以及所伴随的能量和电荷转移的特性进行热能和电能的转换。热电技术由于其运行安静可靠、结构简单紧凑、使用寿命长、无污染物排放、适应范围广、对热源品质要求低等特点，在制冷、航空航天、汽车废热、温度测量、微小型电源等应用方面取得了广泛的应用，随着热电发电效率的进一步提高，热电技术将会有更广泛的应用前景。本文将在综述热电发电的发展概况、运行机理和应用前景的基础上，建立了了热电传热和发电的数学模型。利用数值

2、计算方法重点分析和研究了单层热电模块的传热-发电-应力耦合模型。在热电方面，比较了电偶臂对数、物性参数变化、加热集中度、聚热层厚度、锡焊材料厚度对热电模块工作的影响，提出了提高热电器件发电效率的设计办法；在热结构部分，重点研究了聚热层厚度、电偶臂间距、铜片厚度、锡焊材料厚度和多层热电结构布置对热应力的影响，提出了降低材料内应力水平的办法。本文根据目前高热流密度下热电器件的发展要求，提出了在高热流密度下利用层叠式热电模块提高其发电效率的优化设计方法，利用数值模拟的办法测试了这种方法设计的热电模块在均匀和非均匀，稳态和非稳态热流边界条件下的输出特性，提出

3、了保证其发电效率和可靠性的办法。在本文的结尾，介绍了本文研究的新发现，同时也列出了研究中需要改进的地方。本文从理论分析和数值计算的途径，对热电模块进行了分析和改进。本文的研究着眼于热电模块的发电应用，比较全面的给出了热电研究和发展的面貌，分析了其发电机理，建立了传热模型，提出了数学设计和优化办法，在提高热电材料发电效率的同时，保证其可靠性，对于以后的热电模块设计，本文将是一个很好的参考。关键词：热电材料热电发电效率热应力IAbstractInthepastthirtyyears,aspeopleincreasinglyrecognizedtheun-

4、sustainabilityandpollutionoftraditionalenergysource,researchonvariousnewandcleanenergiesdevelopedquickly.Thermoelectricpowergenerationtechnologytakesadvantageofthecarriersandphononstransportcoupledwiththeenergyconversionprocessinthethermoelectricmaterials.Thermalenergycanbeconv

5、ertedintoelectricalpowerwhenatemperaturedifferenceexistsbetweenthehotandcoldendofthermoelectricgenerator.Thermoelectricpowergenerationtechnologyischaracteredasquietoperation,simplegeometry,longlifecycle,nopollution,goodadaptation,andlowrequirementforheatsource.Owingtothesechara

6、cteristics,thermoelectricpowergenerationtechnologyhasachievedwideapplicationsinmanyareas,suchasrefrigeration,spaceexploration,thewasteheatrecoveryofautomobile,temperaturemeasurement,andmicro-scalepowersupplier.Inthefirstpartofthisthesis,amathematicalmodelcoupledwithheattransfer

7、andpowergenerationwillestablishedonthebaseofanbriefintroductionofthermoelectrictechnologydevelopment,workingprinciplesandapplicationprospect.Inthefollowingpart,anumericalmethodisemployedtocarryoutacarefulcoupledresearchontheheattransfer,voltagepotential,andthermalstressinthesin

8、glesegmentedthermoelectricgenerator.Intheaspectofpower