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分段异形半导体热电发电器性能优化研究

分段异形半导体热电发电器性能优化研究

作者：孙娇华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着电子科技的快速发展,能源危机与环境污染已经成为人们关注的焦点。热电发电器因具有紧凑、可靠性高、环境友好、无工作流体和无化学反应等优点而广受关注,此外它还可作为回收余热和废热的装置。但热电发电器的转换效率和输出功率较... 详细信息

随着电子科技的快速发展,能源危机与环境污染已经成为人们关注的焦点。热电发电器因具有紧凑、可靠性高、环境友好、无工作流体和无化学反应等优点而广受关注,此外它还可作为回收余热和废热的装置。但热电发电器的转换效率和输出功率较低阻碍了其在日常生活中大规模利用。因此,提升热电发电器的转换效率与输出功率对热电发电器的发展至关重要。研究者们已从改善热电发电器的几何结构和提升热电材料性能等方面进行了大量的研究,并取得了鼓舞人心的进展。然而,基于结构设计和分段材料的策略总是分开的。同时考虑两者因素影响的研究十分有限,其中大部分研究主要集中在规则可变截面上,而对非规则可变截面设计的研究很有限,还需进一步研究。本文以分段材料和非规则可变截面耦合设计的热电发电器为研究对象,建立了温度场与电场耦合的多物理场数值模型,并与传统设计、仅分段设计、非规则可变截面设计进行了性能比较。揭示了各种机制之间的耦合效应,证明了耦合设计的优越性。此外,还利用遗传算法进行多参数优化,以达到各种参数的最优组合。结果表明,当热侧边界条件为Q=0.5 W,冷侧边界条件为Tc=300 K时,在一定材料体积的约束下,耦合设计可以使热电发电器的输出功率从39.49 mW增加到59.91 mW,与同体积的传统热电发电器相比,输出功率提高了 51.71%,而非规则可变截面设计仅使热电发电器的输出功率提升了 7.57%。除上述研究外,还分析了耦合设计下热电发电器的几何结构随冷侧温度的变化情况。研究发现,当冷侧温度发生改变时热电发电器的最佳几何结构也发生变化。通过计算热电材料的ZT值,发现耦合设计的优化结构比传统设计具有更高的ZT值。本文提供了一种在一定体积材料的约束下提高热电发电器性能的简单途径,并且不会增加制造成本,为热电发电器的快速发展做出了一定的贡献。

关键词：热电发电器余热回收分段材料非规则可变截面遗传算法

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新型能量转换微器件的热力学特性综述

黑龙江科学 2024年第12期15卷 94-96,100页

作者：张运英山西科技学院山西晋城048000

新型微器件因其微小体积和高效能量转换等特点而备受关注。热电发电器、热光伏电池、热离子器件和热辐射电池等构成了新型微器件,为推动新能源开发及有效回收余热提供了有效途径,这些固态能量转换器件在两个不同温度的热源间运作,以物... 详细信息

新型微器件因其微小体积和高效能量转换等特点而备受关注。热电发电器、热光伏电池、热离子器件和热辐射电池等构成了新型微器件,为推动新能源开发及有效回收余热提供了有效途径,这些固态能量转换器件在两个不同温度的热源间运作,以物理机制将热能部分高效转化为电能,呈现出卓越的功率密度和转换效率。探讨了新型能量转换微器件的热力学特性,结果表明,这些新型微器件在能量转换效率方面表现出色,可满足人们对清洁、高效能源的迫切需求,为能源转换技术的发展提供支持。

关键词：热电发电器热光伏电池热离子器件热辐射电池

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热电发电器及其电源调理系统研究

热电发电器及其电源调理系统研究

作者：龚科南京航空航天大学

学位级别：硕士

为了实现分布式压电合成射流驱动器的动力自给,在本文中提出了一种利用材料热电效应发电的电源概念,不仅解决了合成射流驱动器阵列动力和信号布线复杂的缺点,而且由于热电材料在工作时吸收了一部分飞行器高速飞行时与空气摩擦产生的热量... 详细信息

为了实现分布式压电合成射流驱动器的动力自给,在本文中提出了一种利用材料热电效应发电的电源概念,不仅解决了合成射流驱动器阵列动力和信号布线复杂的缺点,而且由于热电材料在工作时吸收了一部分飞行器高速飞行时与空气摩擦产生的热量,在一定程度上对机体起到了降温作用,可谓一举两得。本文以BiTe基热电材料作为热电模块的基本材料,利用基于PC机的测试实验系统对不同连接方式下的BiTe基热电模块的空载输出电压,匹配负载输出功率,恒温差输出稳定性以及温差小幅波动下的输出平稳性等基本输入输出特性进行实验研究,为热电电源提供基本设计依据。实验结果表明:BiTe基热电模块在不同的组合方式下,在其工作温度范围内,输出电压、输出功率与施加在其冷热端的温差成正比关系;在冷热端温差恒定的条件下,冷热端温度变化对不同组合方式下的热电模块输出电压和功率影响不明显,具有较好的恒温差输出稳定性;不同组合方式下热电模块的输出对冷热端温差波动敏感,不便于直接作为供电电源,须经过一定的中间环节,如增加蓄能元件等方式,提高电源输出的平稳性。根据这些实验数据设计并开发了满足需要的热电发电器。最后针对热电发电器的输出随温差波动较大的缺点,设计了一套以锂离子电池为蓄能元件的浮充电源装置,有效的解决了热电发电器输出平稳性差的缺点。

关键词：热电效应热电发电器输入输出特性测试装置浮充电源

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接触热阻对热电发电器性能影响的实验研究

接触热阻对热电发电器性能影响的实验研究

作者：谢添玺天津大学

学位级别：硕士

以内燃机为动力的交通工具是造成能源危机和环境污染的原因之一。以汽车为例,从能量平衡来看,仅尾气带走的热量就占燃料燃烧所产生的能量的30-45%。回收并再利用汽车尾气余热能量不仅能提高燃料的能量利用率,还能减少对环境造成的污染... 详细信息

以内燃机为动力的交通工具是造成能源危机和环境污染的原因之一。以汽车为例,从能量平衡来看,仅尾气带走的热量就占燃料燃烧所产生的能量的30-45%。回收并再利用汽车尾气余热能量不仅能提高燃料的能量利用率,还能减少对环境造成的污染。半导体热电转化器在工作过程中性能稳定、无噪声、使用寿命长,是一种适用于余热回收的新型的绿色环保技术。因此,利用半导体进行热电转化的温差发电技术越来越受到关注。尽管半导体温差发电器设计简单,但是由于装置效率的低下限制了实际应用。影响半导体温差发电器输出功率的最关键参数是热电优值系数,工作温度和外部负载。电优值系数可以改善通过增加塞贝克系数同时降低了热电元件的热导率。作条件取决于作为热电发电器的冷热源两者之间的温度。外部负载与外部器件的电阻密切相关。本文为揭示半导体温差发电中接触热阻的影响,通过实验测量并比较了接触界面是否添加界面材料,以及添加界面材料后加热热流和加载压力对半导体温差发电性能的影响。结果表明:与接触界面不添加导热硅脂相比,导热硅脂代替了接触界面间的空气间隙,接触热阻减小,热电模块两端的实际温差增加,最大输出功率和转化效率大大提升。添加导热硅脂的情况下,加载压力增加,热电模块与冷热源之间的接触面积增加,接触热阻减小,热电模块两端的实际温差增加,进而其最大输出功率和热电转化效率提升。在相同的加载压力下,随着模块平均温度的增加,热电模块的热阻不断提升,热电模块的热阻在总热阻中的比例增加,两端的实际温差增加,热电发电器的最大输出功率和转化效率随之增大。

关键词：热电发电器冷却风速接触热阻输出功率转化效率

基于非支配排序遗传算法的二级热电发电器和制冷器的结构优化

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基于非支配排序遗传算法的二级热电发电器和制冷器的结构优化

作者：孙鹤楠华中科技大学

学位级别：硕士

热电材料是利用热电效应(Thermoelectric effect)实现热能与电能相互转换的材料,是热电发电器(Thermoelectric generator:TEG)和热电制冷器(Thermoelectric cooler:TEC)的主要组成部件。因其没有转动部件、无污染、易模块化等优点,受到... 详细信息

热电材料是利用热电效应(Thermoelectric effect)实现热能与电能相互转换的材料,是热电发电器(Thermoelectric generator:TEG)和热电制冷器(Thermoelectric cooler:TEC)的主要组成部件。因其没有转动部件、无污染、易模块化等优点,受到广泛关注。目前应用于余能回收、航空航天、生物医药、电子器件散热等领域。但由于受到材料的性能的制约,其最佳热电转换效率都对应一个最佳的工作温度区间,因此以热电材料的最佳效率与工作温度区间相适应的角度出发,从热电转换系统的结构设计方面进行优化,提升其系统的整体转换效率是目前系统研究的一个热点问题之一。本文就是基于此分别针对TEG系统和TEC系统开展了优化设计研究。本文的主要工作是采用非支配排序遗传算法对二级热电发电器和二级热电制冷器的几何参数进行优化,并通过决策方法在帕累托前沿上选取了最折衷解。对优化后的性能进行了分析。在TEG中以功率密度和熵产率作为目标函数,对负载电阻,下级热电臂长度,上下级热电臂N/P截面比,N级和P级热电臂之间的角度作为变量进行了多目标优化。并且研究了负载电阻对电压,功率,效率和熵产率的影响。对于TEC,分别建立了二级并联TEC和二级串联TEC,以?效率和不可逆性作为目标函数,对电流,下极热电臂长度和流道宽度与肋片厚度之比作为变量进行了多目标优化。并且对比了并联和串联TEC之间的性能。研究结果表明,对于TEG来说,选择合适的热电材料会使TEG的性能显著提高;随着TEG功率密度的增大,熵产率也会随之增大;当热电材料总体积固定时,优化后的TEG模型存在一个最优的N/P截面比和负载电阻,并且,当负载电阻远大于或小于内部电阻时,TEG系统的性能欠佳。对于TEC模型来说,在一定范围内增大电流会使?效率和COP(Coefficient of Performance)增大,但也会使模型的不可逆损失增大;当热电材料总体积固定时,优化的TEC模型在上级和下级之间存在着最佳热电臂长度比;当所需的冷热端温差相同时,二级并联TEC比二级串联TEC节省约50%的功率消耗,但是并联型的电路设计比串联型的电路设计复杂。本文所采用的方法和研究结果,对于研发高性能的热电发电系统以及热电制冷系统具有一定的理论和实际指导意义。

关键词：多目标优化热电制冷器热电发电器 ?分析结构优化

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高性能热电发电器件的制备与服役稳定性研究

高性能热电发电器件的制备与服役稳定性研究

作者：刘嬉嬉哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

热电发电技术,是一种可直接将热能转换为电能的绿色环保技术。基于此技术的热电发电器件拥有结构简单、可靠性高、无运动组件、无噪音等独特优势,可广泛应用于工业废热和汽车尾气等废热利用场景,可有效地提高能源的综合利用率。然而当... 详细信息

热电发电技术,是一种可直接将热能转换为电能的绿色环保技术。基于此技术的热电发电器件拥有结构简单、可靠性高、无运动组件、无噪音等独特优势,可广泛应用于工业废热和汽车尾气等废热利用场景,可有效地提高能源的综合利用率。然而当前热电技术的应用受到低效率、高成本以及服役稳定性差制约,因此开发高效率、低成本的热电发电器件,以及通过工艺优化提升热电发电器件的服役稳定性具有重要的意义。本课题针对适用于低温区发电的碲化铋基热电器件以及适用于中温区发电的铅基热电器件,对材料制备、阻挡层制备和器件组装进行研究,开发了高效率、高服役稳定性的热电发电器件,所取得的研究结果如下。本课题针对商用碲化铋基热电材料,分别通过电镀和化学镀的方法,成功在碲化铋材料上制备了致密化金属Ni层作为阻挡层材料,其中电镀Ni阻挡层的厚度为1-3μm,化学镀Ni阻挡层的厚度为20μm。然后采用Bi Sn Ag合金作为焊接材料,采用回流焊技术将镀Ni的碲化铋材料焊接到覆铜陶瓷板上,从而组装制备碲化铋基热电发电器件。基于电流和热流分析,确定碲化铋基热电器件的尺寸,设计并制备了24对碲化铋基热电发电器件,所制备的热电发电器件在300-450 K温度区间内服役时,可以实现最大输出电压1.39 V,最大输出功率1.23 W,以及最大转换效率4.5%。本课题还制备了适用于中温区发电的铅基热电发电器件。通过掺杂优化载流子浓度,合金化调控电子迁移率和降低晶格热导率,优化热输运性能,成功制备了高性能p型Pb Te基和n型Pb S基热电材料,其中p型Pb Te基热电材料的ZT值在800 K时达到1.8,n型Pb S基热电材料的ZT值在900 K时达到1.7。然后采用Fe0.2Co0.8合金作为铅基材料的阻挡层材料,然后采用一步烧结法将银电极、Fe0.2Co0.8阻挡层和铅基材料烧结为接触良好、无开裂的一体材料,从而制备了2对铅基热电发电器件。对器件的输出参数进行评价,发现在565 K温差下,器件的输出电压为0.36 V,输出功率为0.37 W,转换效率达到8.0%。又针对铅基材料低温性能较差的缺点,将碲化铋基材料作为低温段使用,制备了（铅基材料、碲化铋材料）分段热电发电器件,器件的最大转换效率在585 K温差下达到了11.2%。采用长时间退火时效研究了碲化铋基材料和铅基材料与阻挡层材料的反应。发现Ni阻挡层能够有效阻止碲化铋与Sn Bi Ag焊料之间的反应,从而避免材料性能的衰减;但是长时间的退火时效以后,发现Ni阻挡层与碲化铋之间仍然会发生缓慢的元素扩散,从而导致连接界面处孔洞和裂纹的出现,引起器件失效,因而还需要进一步研究碲化铋器件的阻挡层制备技术。针对铅基材料,长时间退火以后,n型Pb S基材料界面由于Sb元素的迅速扩散,界面处出现孔洞和裂纹,导致界面的破坏,而p型Pb Te材料则在长时间时效实验以后仍然保持很好界面连接和元素分布状态,表明Fe0.2Co0.8合金作为铅基材料阻挡层的较好作用。最后又采用器件长期服役情况下的输出参数变化进一步评价了器件的服役稳定性,对碲化铋基器件进行44次,总计1000 min的测试发现,器件的输出性能能够保持稳定;而对分段热电发电器件,通过涂覆铝硅酸盐防护涂层,在850 K的服役温度下,总计600 min的测试发现,器件的转换效率稳定为11%,波动较小（±0.2%）。

关键词：碲化铋硫化铅热电发电器界面稳定性

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热电发电器的研究进展

应用能源技术 2006年第10期 36-40页

作者：梁永斌李瑜煜广东工业大学材能学院广州510006

简要介绍了热电发电器的原理、特点、基本结构及其改进措施,总结了近年来国内外在热电发电器件研究方面的现状,最后展望了热电发电器的前景。

关键词：热电发电器塞贝克效应热电材料

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适于热电发电器用材料的改进

功能材料 1972年第2期 43-55页

Ⅰ引言这个合同第一年研究的结果:发展了n-型PbTe-GeTe合金和P-型PbTe-PbSe合金。它不仅对热电优值有很大的改进,而且作为热压试样,其机能性能与商品的PbTe材料相比也有很大改进。熔融生长合金本身在500℃ 2000小时寿命试验后具有固有... 详细信息

Ⅰ引言这个合同第一年研究的结果:发展了n-型PbTe-GeTe合金和P-型PbTe-PbSe合金。它不仅对热电优值有很大的改进,而且作为热压试样,其机能性能与商品的PbTe材料相比也有很大改进。熔融生长合金本身在500℃ 2000小时寿命试验后具有固有的稳定的性能,但是对于一些热压试样其室温性能是不够理想的,而且电阻率在寿命试验后其变化过多,这种情况相应于氧化沾污,或者热压条件不是最佳。

关键词： PbTe 电学性能 GeTe 化学计量合金粉末合金粉热电发电器温差发电器

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热电腿几何位形对热电发电器性能的影响

上海第二工业大学学报 2020年第1期37卷 38-42页

作者：张梦君田园园王俊丽吴子华谢华清王元元上海第二工业大学环境与材料工程学院上海201209 上海第二工业大学资源循环科学与工程研究中心上海201209

热能可通过热电发电器(thermoelectric generator,TEG)直接转化为电能,提高TEG的性能是推进其广泛应用的关键。研究了热电腿几何位形对TEG性能的影响。采用了有限元方法求解热电耦合方程,在稳态的条件下,计算了采用长方形截面和梯形截... 详细信息

热能可通过热电发电器(thermoelectric generator,TEG)直接转化为电能,提高TEG的性能是推进其广泛应用的关键。研究了热电腿几何位形对TEG性能的影响。采用了有限元方法求解热电耦合方程,在稳态的条件下,计算了采用长方形截面和梯形截面两种热电腿的TEG的性能。结果表明,采用长方形截面热电腿的TEG的输出功率(Pout)比其他TEG的Pout相对高出28.1%。但其热电转化效率(η)处于较低水平,且比最大值相对低10.5%。

关键词：热电发电器热电腿几何位形热电输出功率热电转换效率