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基于热电模块实验的低温下塞贝克系数的测量

制冷学报 2022年第5期43卷 41-48页

作者：刘智博李佳美王世学朱禹天津大学机械工程学院天津300350

利用热电发电器(TEG)进行温差发电是LNG冷能利用的方式之一,而目前低温下热电材料塞贝克系数研究的缺失给低温TEG的设计带来了障碍。因此,本文提出一种通过TEG模块的实验得到低温下该模块所用热电材料(α)的测量方法,并测试了热电材料Bi... 详细信息

利用热电发电器(TEG)进行温差发电是LNG冷能利用的方式之一,而目前低温下热电材料塞贝克系数研究的缺失给低温TEG的设计带来了障碍。因此,本文提出一种通过TEG模块的实验得到低温下该模块所用热电材料(α)的测量方法,并测试了热电材料Bi_(2)Te_(3)在90~180 K温度范围内的α。结果表明:Bi_(2)Te_(3)在低温下的α随温度的降低而减小,温度从180 K降至90 K,α从124.6μV/K降至49.3μV/K,且与温度成二次函数关系。

关键词：塞贝克系数低温热电模块热阻网络

热电模块单元拓扑与模块空间布局优化设计方法研究

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热电模块单元拓扑与模块空间布局优化设计方法研究

作者：冯一芒大连理工大学

学位级别：硕士

温差发电具有清洁无污染、结构紧凑、无运动部件、使用寿命长、无排放物、无需维护等优点,是星际探测任务、海底微波中继站等极端环境下供电的唯一选择,同时在航空、汽车等运载装备燃料废热利用中也具有非常好的应用前景。然而低的热电... 详细信息

温差发电具有清洁无污染、结构紧凑、无运动部件、使用寿命长、无排放物、无需维护等优点,是星际探测任务、海底微波中继站等极端环境下供电的唯一选择,同时在航空、汽车等运载装备燃料废热利用中也具有非常好的应用前景。然而低的热电转换效率是制约温差发电技术应用的主要因素,如何提升其热电转换效率成为该领域的研究热点。通过热电模块的空间布局设计和组成热电模块基本单元的结构设计是提高温差发电系统热电转换效率的重要途径。拓扑优化通过材料的空间分布设计能够实现结构的创新设计,本文的主要贡献是将拓扑优化思想引入温差发电系统设计中,提出了针对热电模块基本单元的两种拓扑优化方法,讨论了优化模型参数以及可设计参数对拓扑设计结果的影响规律;发展了能快速获得温差发电系统输出功率的性能评估方法,提出了基于遗传算法的温差发电系统中热电模块的布局设计技术。具体研究内容如下:(1)基于级数展开的热电模块单元结构拓扑优化方法。基于级数展开的拓扑优化是一种新发展的方法,相比于传统的密度法,设计变量显著减少,同时可以避免棋盘格效应和网格依赖性。本文建立基于级数展开的热电模块单元结构拓扑优化方法,该方法采用有界材料场描述结构拓扑分布,并将其简化为级数展开形式,以级数的系数作为设计变量,以最大化发电功率为优化目标构建了热电模块单元结构的优化模型,推导了目标函数的解析敏度表达式,采用移动渐进线方法进行了求解。针对热电模块单元的矩形热电臂多材料设计,讨论了优化参数和边界条件对优化结果的影响,采用级数展开法与采用传统密度法的优化结果与计算时间基本一致。此外,通过拓扑优化设计的热电臂性能优于常规的分段式热电臂结构设计。(2)基于密度法的随形热电模块单元结构拓扑优化设计。随着增材制造在热电模块制备中的应用,依据热源在结构中的分布,进行特定热电模块结构设计,即随形热电模块单元结构设计成为发展的趋势。本文提出了基于密度法的随形热电模块单元结构的拓扑优化设计方法,采用完全耦合的非线性热电有限元模型对物理场进行求解,提出一种改进的最大电输出功率性能指标作为目标函数。通过对热电模块单元进行单材料与多材料的结构优化设计,确定方法最佳的优化参数设置,计算在不同电极长度和温度区间条件下的拓扑构型,表明所建立随形热电单元结构优化方法的有效性与适用性。另外,在单材料热电结构设计结果中矩形结构的性能为最优。(3)基于遗传算法的温差发电系统模块布局优化设计。目前主要从提高材料本身性能和优化热电模块结构两方面提升性能。本文从整体出发,建立了基于遗传算法的温差发电系统模块布局优化设计方法。融合已有的解析模型,发展了能够快速获得系统输出功率的性能评估方法;通过遗传算法,以废热气体的热电转换为例,实现了温差发电系统热电模块的布局(数量与位置)设计;讨论了废热气体流动速度和温度的影响规律。结果显示,相比于全覆盖热电模块设计方案,优化的布局方案以更少的热电模块获得了更高的电输出功率,从而证实并非布置的热电模块越多越好,存在最优的热电模块数量和位置。该研究为提升温差发电系统输出功率提供了一种可能的途径。

关键词：温差发电热电模块热电单元拓扑优化布局设计遗传算法

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基于热电模块的聚光光伏自冷却概念设计

可再生能源 2023年第2期41卷 180-185页

作者：吴章林高风胜冉幕鸿谢果江卓成四川大学水利水电学院四川成都610065

聚光光伏电池的高效、稳定和安全运行依赖于有效冷却技术。常规的聚光光伏电池主动冷却技术需消耗部分光伏电池产生的电能,因而间接降低有效电力输出。据此,文章基于热电模块提出一种聚光光伏电池的自冷却概念设计,并通过热电模块的性... 详细信息

聚光光伏电池的高效、稳定和安全运行依赖于有效冷却技术。常规的聚光光伏电池主动冷却技术需消耗部分光伏电池产生的电能,因而间接降低有效电力输出。据此,文章基于热电模块提出一种聚光光伏电池的自冷却概念设计,并通过热电模块的性能测试实验验证了设计可行性。测试表明,单个56 mm×56 mm热电模块在90℃热源加热条件下的最大开路电压为3.6 V,输出功率为0.97 W。此后,针对10 kW系统进行了参数设计,计算结果表明,整个装置的热电模块总开路电压可达212.6 V,供给冷却模块的输出功率可达706.5 W,满足聚光光伏电池散热的能耗需求。

关键词：聚光光伏自冷却热电模块参数设计

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热电模块最大输出功率的估值方法

华南理工大学学报（自然科学版） 2013年第4期41卷 54-57页

作者：高俊岭杜群贵石桂菊华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510640 河北科技大学研究生学院河北石家庄050018

一定温差下,热电模块(TEM)的最大输出功率可以通过开路电压和短路电流进行估算.但开路和短路之间存在开路到短路及短路到开路两种切换模式,必有两组开路电压和短路电流.相同温差下,两种切换模式估算出的TEM最大输出功率存在差异,且差值... 详细信息

一定温差下,热电模块(TEM)的最大输出功率可以通过开路电压和短路电流进行估算.但开路和短路之间存在开路到短路及短路到开路两种切换模式,必有两组开路电压和短路电流.相同温差下,两种切换模式估算出的TEM最大输出功率存在差异,且差值随TEM冷热端温差变化.文中对此现象进行了理论分析,指出造成此差值的主要原因在于两种切换模式下的电流不同,从而导致TEM产生的电动势不同,并提出了减小该差值的计算方法.经实验验证,该计算方法提高了TEM最大输出功率的估值准确度.

关键词：热电模块最大输出功率估值方法开路电压短路电流

β-Zn4Sb3热电模块制备及应用的基础研究

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β-Zn4Sb3热电模块制备及应用的基础研究

作者：何柏桦云南师范大学

学位级别：硕士

世界范围内的大部分能量都以热能的形式耗散掉,热电(TE)材料因可以直接和可逆地将热量转化为电能,实现对火力发电、汽车尾气、工业制造等不同领域的废热进行再利用而备受关注。当前,为加快实现可持续能源社会,并满足社会日益增长的电力... 详细信息

世界范围内的大部分能量都以热能的形式耗散掉,热电(TE)材料因可以直接和可逆地将热量转化为电能,实现对火力发电、汽车尾气、工业制造等不同领域的废热进行再利用而备受关注。当前,为加快实现可持续能源社会,并满足社会日益增长的电力需求,开发有前景的温差发电技术成为目前可再生能源领域的主要热点之一。目前Pb Te和BiTe体系作为高性能热电材料在商业上被使用,然而,这两种材料均包含有毒元素,且原材料昂贵及热电转换效率较低等缺点,在大规模温差发电应用上受到限制。因此,地壳丰富度高、廉价且环保的热电材料β-ZnSb引起了研究者们的广泛关注。β-ZnSb是一种典型的“电子晶体-声子液体”热电材料,在中温区具有优异的热电性能,但碍于当前热电模块的制备难题诸多,因而导致其实际的应用与发展较为缓慢。基于这些关键问题,本论文以β-ZnSb为研究对象,对其热电模块制备及应用中涉及的关键问题展开了系统地研究,取得的主要结论如下:1、首次利用化学镀的方法在β-ZnSb表面实现了可焊金属化处理,结果表明,该方法较传统电镀工艺的污染小及成本要低,并且得到的镍层质量好,结合强度高。相比于热压合成方法具有更小的应力,高温下不易脱落。通过机械粗化、敏化活化和碱性预镀工艺,避免了晶间腐蚀现象的发生。最终,通过工艺参数的优化,得出了p H 5.0、温度85℃、施镀时间20 min这一理想镀覆条件,这也为其他热电材料的化学镀镍打通出一条完整的工艺路线。2、针对热电性能中各参数的高度耦合,β-ZnSb除掺杂外难以进一步性能优化的特点下,从第一性原理角度出发,研究了晶格应变对其热电性能的影响,结果显示,β-ZnSb为本征p型轻度简并半导体,实验中很难制备稳定n型材料,而应变能够以稳定的形式在β-ZnSb中存在。其中,拉伸应变下有效增大了塞贝克系数,从而获得更高得功率因数。并且,拉伸和压缩应变都能使其晶格热导率得到更进一步的降低。得益于功率的因数增加和热导率的降低,在3 GPa的拉伸应变下获得最优热电性能,其最大ZT值在700 K时达到1.73,为β-ZnSb热电性能的优化提供了新的思路。3、为了解热电模块高温服役下可能出现的Ni扩散现象及扩散后对性能的影响,运用热处理的方法研究了Ni扩散后β-ZnSb热电性能的变化。结果显示,Ni会在较高温度下与Zn发生严重的相互扩散,还易生成界面反应层,增加界面处的微观缺陷,并且Zn因高温氧化和挥发也会加剧材料的恶化。最终,由于电导率的显著降低,使得ZT值也明显下降,样品S4(Heat treatment=700 K,8h)在Ni扩散后,700 K时最高ZT值只有0.9,较未热处理前显著减小了约30%。另外,第一性原理分析得出,少量Zn的挥发不会影响β-ZnSb塞贝克系数较大的变化,而若是出现Ni取代Zn的掺杂情况,将会引入一个巨大的共振峰从而大幅提升其塞贝克系数。最后,通过与n型Pb Se匹配制备的热电模块具备稳定的输出特性,当温差为△T=400 K时,其最高输出功率为1.2 W,最大转换效率达到4.7%。对加速今后β-ZnSb热电模块的开发与应用提供了研究经验。

关键词： β-Zn4Sb3 热电模块半导体镀镍晶格应变第一性原理

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汤姆逊效应和附加热阻对热电模块性能的影响

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2014年第1期47卷 15-20页

作者：王世学杨博鲁池天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072 天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室天津300072

针对热电模块运行过程中的影响因素,考虑汤姆逊效应和陶瓷板、金属导流片、接触表面等产生的附加热阻,建立了新的热电能量平衡方程,并据此研究了汤姆逊效应与附加热阻对热电模块的输出功率、热电转化效率及效率的影响规律.结果表明:在... 详细信息

针对热电模块运行过程中的影响因素,考虑汤姆逊效应和陶瓷板、金属导流片、接触表面等产生的附加热阻,建立了新的热电能量平衡方程,并据此研究了汤姆逊效应与附加热阻对热电模块的输出功率、热电转化效率及效率的影响规律.结果表明:在本文计算条件下,汤姆逊效应及附加热阻对热电模块性能的影响随着热电模块工作电流的增加而增大;同时,汤姆逊效应和附加热阻均使得热电模块的最大输出功率、最大热电转化效率对应的最佳工作电流减小,这一点在热电发电装置的设计时必须予以考虑.

关键词：热电模块汤姆逊效应热电转化效率效率接触热阻

Ni-P化学镀层提高钎焊层与热电模块之间的结合强度

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当代化工研究 2022年第14期 24-26页

作者：舒林珠海市玛斯特智能装备有限公司广东519000

本文在热电模块表面形成化学镀Ni-P层作为扩散阻挡层,以考察Ni-P化学镀层对钎焊层与热电模块之间结合强度的增强作用。研究结果表明,通过化学镀Ni-P和Ag基钎焊制造的PbTe热电模块的结合强度高达约8.3MPa,而未化学镀Ni-P的PbTe热电模组... 详细信息

本文在热电模块表面形成化学镀Ni-P层作为扩散阻挡层,以考察Ni-P化学镀层对钎焊层与热电模块之间结合强度的增强作用。研究结果表明,通过化学镀Ni-P和Ag基钎焊制造的PbTe热电模块的结合强度高达约8.3MPa,而未化学镀Ni-P的PbTe热电模组的结合强度较低,只有约为3.6MPa,化学镀的应用明显提高了热电模块的结合强度。同时,在热电元件和钎焊层之间的结合界面处没有观察到诸如气孔或裂纹等缺陷。

关键词：热电模块钎焊 PbTe 结合强度

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基于相变蓄热提高热电模块发电性能的研究

基于相变蓄热提高热电模块发电性能的研究

作者：刘安邦上海第二工业大学

学位级别：硕士

当前,面对能源短缺与环境污染的双重压力,热电发电技术作为一种重要的绿色环保能源转换技术正日益受到人们的青睐。依托该技术制成的热电模块在能源转换过程中无污染、安静稳定、运行可靠,已被广泛应用于太阳能、工业余废热回收等多个... 详细信息

当前,面对能源短缺与环境污染的双重压力,热电发电技术作为一种重要的绿色环保能源转换技术正日益受到人们的青睐。依托该技术制成的热电模块在能源转换过程中无污染、安静稳定、运行可靠,已被广泛应用于太阳能、工业余废热回收等多个领域。但由于热电模块转换效率不高,依然存在大量的热能未得到及时回收和利用等问题,对废热实施高效的回收利用仍有很大的提升空间。同时不稳定的废热排放所造成的热源温度变化与热电模块稳定输出电能的需求之间存在明显的供需不匹配。基于相变材料的相变蓄热技术凭借其能够在较为稳定的温度附近储存和释放热能的技术特点,为解决上述问题提供了一种可行的解决方案。本文基于相变蓄热技术和热电发电技术的基本原理,将含有相变材料的蓄热单元与热电模块相结合,自行设计和搭建了相变蓄热-热电耦合性能测试系统。通过调控相变材料的热物性及储热量,对嵌入相变材料的热电模块的冷热端温度、电压以及热电模块获得的电能等进行了一系列测试与分析,研究了相变蓄热对热电模块发电性能的影响。通过对实验结果进行对比和分析得到如下结论:(1)热源停止供热后,蓄热单元中的相变材料可作为辅助热源释放出大量热能并直接作用于热电模块的热端,同时使用相变潜热较高的相变材料有利于让热电模块在短时间内获得相对稳定的电能。(2)从纵向和横向两个几何维度增大蓄热单元中相变材料的储热量,有利于在一定程度上提高热电模块的发电性能。(3)具有高导热系数的相变材料凭借热响应时间短这一优势,在热源停止供热时能够更加及时地为热电模块的热端补充热能,从而让热电模块在更长的时间内产生相对稳定的输出电压,同时获得更多电能。此外,继续提高相变材料的导热系数,会使得热电模块获得的电能增长逐渐放缓。

关键词：相变蓄热热电模块能源转换废热回收

蒸汽室热扩散器热阻对热电模块性能影响的研究

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蒸汽室热扩散器热阻对热电模块性能影响的研究

作者： WAQAR AHMAD（瓦齐）东南大学

学位级别：硕士

热电系统由于其低效率而未被广泛使用,其效率受到热侧相关热设计的影响。本文主要关注点是通过使用蒸气腔散热器,提高热电系统性能,通过提供低的总传热热阻,有效的热扩散能力,使得温度均匀地分布,避免形成与热电模块的热侧相关的热点区... 详细信息

热电系统由于其低效率而未被广泛使用,其效率受到热侧相关热设计的影响。本文主要关注点是通过使用蒸气腔散热器,提高热电系统性能,通过提供低的总传热热阻,有效的热扩散能力,使得温度均匀地分布,避免形成与热电模块的热侧相关的热点区域,提高了系统热性能。本文进行了以下研究工作:1)热电模块建模:本研究中,依据帕尔贴效应、焦耳效应和热传递,采用MATLAB对热电堆性能进行模拟计算;以40 mm x 40 mm的热电模块TEC1-12710作为研究对象,其冷端温度为290K,冷热段温差为0 K—70 K,可变输入电流0.1 A—15 A;基于热电模块热侧的传导热损失、高温和热阻主要的问题被阐述出来。2)研究热电堆热端采用蒸气腔的散热效果。基于吸液芯和蒸汽区域的连续性方程,蒸气腔所包含的壁面、多孔吸液芯、蒸汽区三部分的能量守恒方程,推导出蒸汽腔数学模型;采用正交各向异性法获得蒸气腔的有效导热系数和扩散和传导热。3)模拟分析:采用COMSOL Multiphysics软件作为模拟平台,模拟不同参数的蒸气腔换热器,输入热量80 W—400 W,对流换热系数100W/mK—2000 W/mK,不同的厚度和换热面积。分析和比较了传统的铜和铝固态金属导热板。本文得到的模拟结果如下:1)结果表明,热电模块的效率与导热和温度差具有很强的相关性。对于传热热阻小于0.1 K/W,在输入较小电流时COP会超过2.40。相似的,对于热阻在0.001 K/W—0.1 K/W之间,热侧温度可以降低到310 K—335 K。这表明低的热阻和小温差使得COP将显著的增加。2)在输入任何热量下,蒸汽腔底面和顶面之间的温度上升百分比都小于与之作比较的导热板。对于160 W的输入量,铜的温度上升百分比为48.46%,而铝为76.76%,高于蒸汽腔的温度上升。这意味着蒸气腔有着较好的热传导性能,使得蒸气腔底面和顶面具有较小温差。3)在80 W、160 W和240 W的热输入下,蒸汽腔的总热阻为0.27 K/W—0.28 K/W。然而,在相同热输入的情况下,导热板热阻相近,例如铜为0.326 K/W,铝为0.458 K/W,表明蒸气腔总热阻比铜导热板低17%,总热阻比铝导热板低41%。这表明热阻低的蒸汽室对提高热电模块性能有重要意义。4)增加面积比将降低总热阻;对于150 mm×150 mm的蒸气室,其总热阻为0.163 K/W,而铜和铝分别为0.266 K/W和0.427 K/W,这意味着蒸汽腔热阻比传统的铜和铝导热板可以减少38.72%和61.82%。这表明增加蒸汽腔的面积比的重要性,它可以通过提供更低的热阻来增加其热扩散能力。5)模拟得到的横向导热系数在1480—1944 W/（mK）的范围内,这表明温度沿顶面均匀分布,与铜（401 W/mK）和铝（171 W/mK）导热板相比,可以克服热点区域的问题,取决于厚度、输入热流密度和蒸汽腔的面积比。研究发现,采用热电模块热侧蒸汽腔散热器可获得比传统的铜和铝导热板高26.15～56.15%的COP。本研究还提出了蒸汽腔的有效热扩散能力和有效热传导热阻。该研究将为热电模块用于蒸汽强的设计和应用提供指导。

关键词：热电模块蒸汽腔扩散热阻有效导热系数 COP