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温差发电模块结构优化与热应力分析

温差发电模块结构优化与热应力分析

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作者：李奔大连理工大学

学位级别：硕士

温差发电技术是一种利用功能材料的热电特性,直接将热能转化为电能的技术。具有结构紧凑、无运动部件、使用寿命长、无排放、无需维护等优点。温差发电（核能提供热源）成为星际探测任务、海底微波中继站等极端环境下供电的唯一选择,同... 详细信息

温差发电技术是一种利用功能材料的热电特性,直接将热能转化为电能的技术。具有结构紧凑、无运动部件、使用寿命长、无排放、无需维护等优点。温差发电（核能提供热源）成为星际探测任务、海底微波中继站等极端环境下供电的唯一选择,同时温差发电技术在航空、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。然而热电材料本身较低的热电转换效率严重制约了其应用。为提升温差发电系统的能量转化效率,除了发展性能更为优异的热电材料,另外一个重要途径是对温差发电模块进行合理的结构设计。与此同时,温差发电模块运行时内部产生的热应力极大影响着器件的使用寿命,准确评估发电模块的热应力和分析其关键影响因素是温差发电模块设计的关键问题之一。本文首先从形状优化的角度,从理论上获得了最佳的热电臂形状,并通过详细的数值仿真证实了结论的有效性;其次,发展了考虑材料温度依赖性的分段温差发电器非线性分析模型,为后续的选材设计提供精确快速的分析工具;最后,利用数值方法分析了温差发电器的热应力分布,讨论了热电单元排列数量以及各可设计参数的影响,为提高冷热两端温差,从而提升整体换热性能提供参考。具体研究内容如下:（1）温差发电器任意变截面热电臂形状优化理论分析与数值验证。通过调整热电臂横截面在高度方向的变化从而提升温差发电器（TEG）的热电转换效率是目前研究的热点,并提出了多种横截面变化形式。本文从理论上讨论了任意横截面高度变化条件下热电臂的最佳形状,通过详细的数值分析证实了所获得结论的有效性。结果表明:改变热电臂横截面的高度变化能够改变内阻的大小,但热电臂横截面的高度变化函数并不重要,实现温差发电模块热电转化效率最大的关键是外部负载电阻与内阻之比达到一个合理的比值。因此,考虑制造工艺,建议采用等截面热电臂设计,调整外部负载电阻。另外,若以最大功率为优化目标时,热电臂采用等截面设计最佳。（2）考虑材料温度依赖性的分段温差发电器的分析模型。热电材料的性能与使用温度密切相关,通过在热电臂的多段设计（即多材料设计）能够发挥每种热电材料的最大热电转换能力,从而提高整体的热电转换性能。发展快速和准确的分段温差发电器的分析模型是进行多段温差发电器设计的基础。本文建立了考虑材料温度依赖性的分段温差发电器分析模型,通过与详细的有限元数值仿真结果对比,验证了所提出的分析模型的有效性。利用所提出的分析模型,讨论了分段热电臂交界面位置对器件转换效率的影响,并给出了最佳的热电臂分段位置。（3）温差发电模块的热应力评估与影响因素分析。本文建立了温差发电模块热电-结构耦合有限元分析模型,考虑材料的塑性变形,讨论了热电元件排列数量,陶瓷基板和导电铜片厚度对器件热应力的影响。结果表明:温差发电器导电铜片和热电臂最大应力出现在连接处的角点上;由于热电单元之间的相互影响,相比于单个热电元件,多个热电臂组成的温差发电模块的应力增加近1倍;选择较薄的陶瓷基板和导电铜片更有利于降低器件热应力。

关键词：温差发电变截面热电臂分段热电臂转换效率热应力

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