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不同边界条件下热电发电器件瞬态响应特性分析

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浙江大学学报（工学版） 2023年第9期57卷 1814-1823页

作者：罗丁吴海峰杨学林三峡大学电气与新能源学院湖北宜昌443000

鉴于实际应用中热源的非稳态特性,建立热电发电器件的三维瞬态热-电耦合数值模型,以阶跃上升、阶跃下降、线性上升、线性下降、正弦波和三角波6种热源波形作为输入,对比并分析在瞬态温度边界条件和瞬态热流边界条件下的响应特性.结果表... 详细信息

鉴于实际应用中热源的非稳态特性,建立热电发电器件的三维瞬态热-电耦合数值模型,以阶跃上升、阶跃下降、线性上升、线性下降、正弦波和三角波6种热源波形作为输入,对比并分析在瞬态温度边界条件和瞬态热流边界条件下的响应特性.结果表明:该模型能准确模拟热电发电器件的瞬态输出性能,仿真结果与试验测量的电压和功率误差分别为3.30%和6.58%;由于温度变化具有连续性,瞬态热流边界条件比瞬态温度边界条件更合理;受热惯性的影响,即使热源输入急剧变化,热电发电器件的输出功率仍呈现平缓的变化趋势,且存在时滞现象;周期性热源能够提升热电发电器件的输出性能,在正弦波和三角波的周期性热源中,热电发电器件的输出功率分别提升了7.48%和5.76%,转换效率分别提升了11.58%和8.48%.

关键词：热电发电器件瞬态边界条件数值模型响应特性

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热电发电器件的输出功率和效率的解析模型

武汉理工大学学报 2008年第1期30卷 9-12页

作者：张宁李鹏肖金生张清杰武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉430070

建立了热电发电器件工作的一维模型,应用热力学理论分析了发电器件的输出功率和效率,并重点讨论了元器件热导及热端板、冷端板与元器件间的接触层热导对输出功率和效率的影响。结果表明,热电发电器件的输出功率和效率随热端接触层热导... 详细信息

建立了热电发电器件工作的一维模型,应用热力学理论分析了发电器件的输出功率和效率,并重点讨论了元器件热导及热端板、冷端板与元器件间的接触层热导对输出功率和效率的影响。结果表明,热电发电器件的输出功率和效率随热端接触层热导和冷端接触层热导的增加而增加,但增加的幅度越来越小;随元器件热导的减小而增加,且增加的幅度越来越大。所得结论对发电器的设计具有重要的指导意义。

关键词：热电发电器件输出功率效率热导

柔性薄膜型金属硒化物热电发电器件的设计及性能优化

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柔性薄膜型金属硒化物热电发电器件的设计及性能优化

作者：李佳慧桂林电子科技大学

学位级别：硕士

可穿戴热电发电机能够将人体皮肤与环境之间的温差转化为电能,且对人体的运动状态和环境条件没有严格的要求,近年来被认为是一种极有前途的自供电可穿戴电子设备。此类设备的输出性能主要取决于热电材料的性能和器件的结构设计。在众多... 详细信息

可穿戴热电发电机能够将人体皮肤与环境之间的温差转化为电能,且对人体的运动状态和环境条件没有严格的要求,近年来被认为是一种极有前途的自供电可穿戴电子设备。此类设备的输出性能主要取决于热电材料的性能和器件的结构设计。在众多室温热电材料中,硒化物材料因其低成本、低毒、元素丰富的优点正日益受到广泛关注,其在室温下优异的热电性能使其有望应用于可穿戴热电器件。为了满足可穿戴电子设备的实际应用需求,目前针对柔性热电薄膜器件的研究还存在两个待解决的问题。其一,热电薄膜的功率因子与块体材料相比还存在一定的差距;其二,由于缺乏器件结构优化设计,大多数柔性薄膜器件利用人体与环境所建立的温差非常小,限制了其输出性能。为了解决以上问题,本论文以AgSe和CuSe这两种硒化物为研究对象,采用溶剂热法和放电等离子体烧结工艺制备了柔性良好的薄膜材料,通过组分调控和烧结工艺精细控制了CuSe和AgSe薄膜的微观形貌、晶体结构、元素含量及分布等变化,优化了其热电性能。此外,采用Comsol多物理场模拟软件设计了一种新型的与光热材料和水凝胶相结合的CuSe-AgSe可穿戴薄膜发电器件,分析了CuSe和AgSe热电臂的尺寸对薄膜器件输出性能的影响,并研究了在不同太阳光照强度下器件的发电性能。通过增大器件两端的实际温差,实现了输出性能的明显提升。主要研究工作如下:采用放电等离子体烧结工艺制备了柔性优异的尼龙基CuSe（x=0～0.25）薄膜,通过Cu的过量引入成功填补了体系中的Cu空位,调控了载流子浓度,使得CuSe薄膜的功率因子在室温下达到了856.59±119.92μW mK。此外,模拟得出了自然对流条件下,不同热端温度时CuSe薄膜的最佳长度。当热端温度为310.15 K且环境温度为300.15 K时,2 mm长度的CuSe薄膜两端实测温差为6.6 K,薄膜输出功率密度为2.918μW cm K,在同类薄膜材料中处于较高水平。采用同样的工艺制备了柔性尼龙基AgSe（x=0.1～0.5）薄膜,利用成分调控优化了AgSe薄膜的泽贝克系数与电导率,确定了AgSe薄膜的最佳比例为AgSe。通过精细调控放电等离子体烧结工艺,消除了薄膜中微米级的Ag团聚,控制了Se空位含量,由此改善了体系中的载流子运输状态,最终实现了功率因子的明显提升。其中烧结温度与时间分别为200℃与5 min时AgSe薄膜的功率因子达到了3933.07±550.63μW mK。此外,通过模拟计算确认了自然对流条件下,不同热端温度时AgSe薄膜的最佳长度。当热端温度为308.15 K且环境温度为298.15 K时,长度为2 mm的薄膜两端实际温差为6.35 K,最佳输出功率密度为19.38μW cm K,在同类材料中具有极大竞争力。设计了一种热端可以利用光热薄膜收集热能,冷端采用水凝胶散热的CuSe-AgSe可穿戴热电薄膜发电器件,借助Comsol多物理场模拟软件确认了器件最佳输出功率密度时对应的CuSe和AgSe薄膜热电臂宽度分别为14 mm和8 mm。利用自行搭建的测试系统完成了器件的输出性能测试工作。测试结果表明器件的输出功率随着太阳光照强度的增大而逐渐提升,在一个太阳的光照强度下,器件冷热端的实际温差达到了35.5 K,相应的输出功率为85.67μW。本研究工作为开发具有实际应用潜力的可穿戴热电发电机提供了新的思路。

关键词：柔性热电薄膜 Cu2Se材料 Ag2Se材料数值模拟热电发电器件

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半导体热电发电器件及其冷端热沉的优化

半导体热电发电器件及其冷端热沉的优化

作者：沈园华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

半导体热电发电器（TEG）,具有体积小、质量轻、安装灵活、性能稳定等优点,且只要存在温差就能发电,因此TEG在低品位能源领域应用广泛。然而TEG的输出效率相对较低,冷端通常以微通道热沉冷却来提高其性能,这也成为热电领域的研究热点。... 详细信息

半导体热电发电器（TEG）,具有体积小、质量轻、安装灵活、性能稳定等优点,且只要存在温差就能发电,因此TEG在低品位能源领域应用广泛。然而TEG的输出效率相对较低,冷端通常以微通道热沉冷却来提高其性能,这也成为热电领域的研究热点。然而,目前TEG与微通道热沉耦合的研究还存在与实际结果差距较大以及提高结构输出性能等问题。综上,本课题通过数值模拟的方式,对TEG及微通道热沉耦合结构进行了充分研究。首先,对冷端热沉简化条件合理性进行分析,在TEG几何优化过程中简化条件可导致7%的误差,因此有必要应用非简化条件进行模拟研究;而后以耦合结构为基础,探究了热沉冷却能力、外接负载与热流密度对输出性能的影响。随着冷却能力增强耦合结构的输出性能也在增加,达到冷却极限时输出性能最大;耦合结构对应的最佳热流密度与外接负载的大小有关,外接负载较小时,热流密度越大结构效率越高,而外接负载较大时,效率并不与热流密度成正比;热流密度越大,对应的冷却极限也较大,而外接负载对冷却极限几乎没有影响。而后进一步探究了TEG数量对TEG以及微通道热沉耦合结构的性能影响,包含不同TEG数量的结构具有不同的最佳外接负载,最佳负载具有量化特性,已知一种结构的最佳负载,就能计算出其他结构的最佳负载;包含TEG数量越多的结构,具有更高的温度分布与输出性能,但同时也存在热沉过长换热不均而导致效率下降的问题,基于此提出微通道热沉新设计,新设计明显比传统设计换热均匀,且减少了结构本身的能量耗散,较传统设计输出功率平均提高3%。

关键词：热电发电器件微通道热沉耦合结构性能优化数值模拟

界面热阻优化和相变材料耦合对热电发电器件性能影响的研究

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界面热阻优化和相变材料耦合对热电发电器件性能影响的研究

作者：田园园上海第二工业大学

学位级别：硕士

在目前能源环境问题日益严重的背景下,热电发电器件(Thermoelectric generator,TEG)可以将热能直接转化为电能并具有无运动部件、维修成本低、无污染、无噪音和小巧轻便等优点,因而被广泛应用于航空航天、太阳能发电、余废热回收、可穿... 详细信息

在目前能源环境问题日益严重的背景下,热电发电器件(Thermoelectric generator,TEG)可以将热能直接转化为电能并具有无运动部件、维修成本低、无污染、无噪音和小巧轻便等优点,因而被广泛应用于航空航天、太阳能发电、余废热回收、可穿戴设备及海洋能发电等领域,是目前能源利用技术中最有前景的新型技术方法之一。然而,目前热电发电器件的热电转换效率仍然较低,热量不能被有效利用,限制了其未来更广扩的发展。影响热电发电器件的因素除热电材料的性能外,器件层面的影响同样重要,如界面接触电阻、器件的几何位形、热源的不稳定性、界面接触热阻等。其中,器件间的传热是影响热电发电器件发电性能的重要因素之一,包括热电发电器件内部的传热及热电模块和其他模块的耦合系统间的传热。近年来有很多工作研究了热电发电器件内部的总界面接触热阻(Thermal contact resistance,TCR)对热电发电器件性能的影响,然而在制造热电发电器件时,部件间接触面的接触热阻不可能完全相同,且已有学者证明热电发电器件热端和p、n热电元之间的界面接触热阻与冷端和p、n热电元之间的界面接触热阻不同时,热电发电器件的发电性能不同。基于此,本文研究了热电发电器件p型热电元和冷、热端之间的界面接触热阻与n型热电元和冷、热端之间的界面接触热阻的比值不同时对热电发电器件性能的影响。此外,相变材料(Phase change material,PCM)以其具有高潜热、高密度、能够在近似恒温下吸收和释放大量热量等优点,被用于解决热源不稳定的问题,并取得了一定的进展。相变-热电耦合系统(PCM-TEG)被应用于热电发电领域用以提高热电发电器件的发电性能。众多研究表明:优化相变材料的参数性能以及其与热电发电器件的耦合方式等够提高耦合系统的发电性能。然而,在间歇性热源条件下(如:汽车在行驶过程中的发动机),相变材料的相变温度与热电材料的热电优值(ZT)最大值处的温度的匹配关系以及嵌入式相变-热电耦合系统中相变材料包裹热电元的尺寸对相变-热电耦合系统发电性能的影响需要进一步深入探讨。本论文建立了包含界面接触热阻的热电发电器件和相变-热电耦合系统的模型,求解描述相变材料的焓法方程和描述热电发电器件的三维热电耦合方程,对热电发电器件内部的界面传热和嵌入式相变-热电耦合系统中相变温度和相变材料尺寸对热电发电器件发电性能的影响进行了深入研究。研究结果表明:(1)p型热电元与冷热端之间的界面接触热阻和n型热电元与冷热端之间的界面接触热阻的比值对热电发电器件的性能有显著影响。当p型热电元与冷热端之间的界面接触热阻等于n型热电元与冷热端之间的界面接触热阻时,热电发电器件的输出功率和转换效率有最大值。且当总界面接触热阻较小时,这种优化效应会更加明显。进一步,我们将模型应用于选用p-BiSbTe和n-BiTeSe两种性质随温度变化的热电材料的热电发电器件时,此优化效果仍然存在。本工作提出了一种简便且有效的通过优化热电发电器件的界面热阻的比值提升其性能的方法。(2)优化相变材料的相变温度与热电材料的匹配关系,能显著提高相变-热电耦合系统的发电性能和热能利用率。相变材料的最佳相变温度由热电元的热电性能决定。此外,相变材料的最佳相变温度与热电材料的热电优值达到最大时的温度成线性关系。本工作提供了一种从相变材料和热电材料匹配的角度优化相变-热电耦合系统性能的方法,这有助于实现热电发电器件在间歇热源条件下更高效的应用。(3)相变材料包裹热电元的长度会影响热量从相变材料向热电发电器件的传输,从而影响热电发电器件的性能。研究结果表明,相变材料的应用可以大幅提高热电发电器件对热能的利用率,并且相变材料包裹热电元的长度在相变材料的体积保持不变的情况下存在最优值。

关键词：热电发电器件界面接触热阻相变材料输出功率热电转换效率

汤姆逊效应和几何位形对热电发电器件性能影响的研究

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汤姆逊效应和几何位形对热电发电器件性能影响的研究

作者：张梦君上海第二工业大学

学位级别：硕士

热电发电技术是一种基于热电材料的塞贝克(Seebeck)效应直接将热能转化为电能的技术。然而,热电发电器件较低的能量转换效率严重影响了该技术的广泛推广和应用,因此提高转换效率是目前研究热电发电技术的一项重要内容。典型的热电发电器... 详细信息

热电发电技术是一种基于热电材料的塞贝克(Seebeck)效应直接将热能转化为电能的技术。然而,热电发电器件较低的能量转换效率严重影响了该技术的广泛推广和应用,因此提高转换效率是目前研究热电发电技术的一项重要内容。典型的热电发电器件(Thermoelectric generator,TEG)由冷端、热端、p型和n型热电元组成,其性能受多种因素的影响,如冷热端温度、汤姆逊(Thomson)效应、接触电阻、热电元几何形状、热电元件排布方式等。其中,Thomson效应、热电元几何形状强烈影响其中的产热和传热,从而影响热电发电器件的输出功率和热电转换效率。本论文建立了热电发电器的三维模型,采用热电耦合方程描述热电发电器,采用k–ε湍流控制方程和NK传热控制方程描述流体性质,研究了Thomson效应和热电元几何位形对热电发电器性能的影响,比较了环型和平板型热电发电系统在各种条件下的性能。我们的结果表明:(1)在冷热端温差较小、热电材料的Seebeck系数较大的条件下,Thomson效应会降低热电发电器的性能。在冷热端温差较大、热电材料的Seebeck系数较小的条件下,考虑Thomson效应时的热电发电器性能要优于不考虑Thomson效应时的热电发电器性能。此外,Thomson效应还降低了通过增大热电优值(figure of merit,ZT)提高热电发电器性能的效果。(2)在冷热端温差较高的情况下,采用长方形截面热电元的热电发电器比采用梯形截面热电元的热电发电器的输出功率高,即采用长方形截面的热电元有利于得到更高的输出功率。然而,热电元的几何位形对热电发电器的转换效率影响相对较小。(3)环型热电发电系统和平板型热电发电系统的输出功率和热电转换效率随入口速度、入口温度和冷端对流换热系数的增大而增大。当进口温度和/或对流换热系数较大时,环型热电发电系统的转换效率比平板型热电发电系统更大。与之相比,环型热电发电系统的输出功率与平板型热电发电系统无明显差异。本研究表明,在圆柱形热源环境下,环型热电发电系统与平板型热电发电系统相比具有明显优势的条件,为在复杂条件下针对环型热源选择合适几何位形的热电发电器件进行了有益的探索。

关键词：热电发电器件汤姆逊效应热电元几何形状环型热电发电系统平板型热电发电系统

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热电材料与发电器件的进展和挑战

物理 2022年第3期51卷 174-179页

作者：徐啸刘嬉嬉何佳清南方科技大学物理系深圳518055

热电/温差电效应是一种能够实现热能和电能直接相互转换的环境友好型能源技术,基于该技术的热电发电器件的应用,有望成为缓解能源问题的可行方案。文章主要介绍了中高温区p型和n型热电材料的最新研究进展,重点论述了可能应用于热电发电... 详细信息

热电/温差电效应是一种能够实现热能和电能直接相互转换的环境友好型能源技术,基于该技术的热电发电器件的应用,有望成为缓解能源问题的可行方案。文章主要介绍了中高温区p型和n型热电材料的最新研究进展,重点论述了可能应用于热电发电器件的几种典型热电材料体系的相关优缺点。此外,还回顾了目前中高温区热电发电器件的研究现状,尝试给出了目前亟待突破的壁垒,最后讨论并展望了热电发电器件的发展前景与未来研究方向。

关键词：热电材料热电性能热电优值热电发电器件

热电材料物性对发电器件性能的影响及反演优化研究

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热电材料物性对发电器件性能的影响及反演优化研究

作者：王玉鹏华中科技大学

学位级别：硕士

随着全球气候变暖现象的日益加剧,如何使碳排放量迅速达到峰值已经成为世界各国的首要任务。当前我国工业能耗占比较大,而工业能源效率偏低,这导致了能源的大量浪费,如何有效利用这部分能源是一个亟待解决的问题。热电发电技术具有绿色... 详细信息

随着全球气候变暖现象的日益加剧,如何使碳排放量迅速达到峰值已经成为世界各国的首要任务。当前我国工业能耗占比较大,而工业能源效率偏低,这导致了能源的大量浪费,如何有效利用这部分能源是一个亟待解决的问题。热电发电技术具有绿色环保、安全无噪音等优点,常用于回收低品质热能,故可以用于工业领域,从而提高能源效率。然而,当前热电发电技术的发电效率较低,极大地阻碍了其应用。实际上,当前已经涌现出了诸多高优值系数(ZT)的热电材料,但实际器件的发电效率依旧不够理想。这是因为在实际工况中,热电材料的ZT很难准确反映相应器件的发电性能,这意味着材料物性对器件性能的真实影响不清晰;此外,当材料制备成器件后,材料间的界面效应也会导致器件性能的进一步恶化。这些因素最终导致材料与器件发展之间的不协调性日益显著。因此,耦合热电材料和热电器件这两个方面,探究材料物性和界面特性对器件性能的影响,并基于实际应用中的热电器件发电性能指导热电材料的优化,对推动热电材料和热电器件的进一步发展具有重要的指导意义。本论文从器件应用角度出发,分析材料关键物性参数和界面效应对器件发电性能的影响,从而寻找当前热电材料的优化策略。首先,在考虑热电臂有效温度梯度、接触效应、边界效应、最佳匹配负载和第二类热边界条件的基础上,建立了基于热电材料物性计算常规器件和微型器件发电性能的数学模型,并对模型进行了验证。然后,利用上述数学模型分析了界面效应和热电材料ZT值对常规器件和微型器件发电性能的影响特性。研究发现,当前界面效应对常规器件发电性能几乎不产生影响,而对微型器件会产生较大影响。界面效应会随着微型器件热电臂高度的降低而变得越来越显著,当热电臂高度小于7.5μm时,界面效应会使得微型器件性能衰退50%以上。其中,接触效应对微型发电器件性能的影响大于边界效应,当接触电阻和接触热阻分别降低到10Ω·m和10 K·m/W时,接触效应对微型器件的影响才能忽略。此外,热电材料的ZT值无法准确反映其制备成器件后的发电性能,继续提高材料的ZT值对器件性能的提升也比较有限。当热电材料的ZT值从1.5提高到2.5,即ZT值提高了66.7%时,常规器件和微型器件的发电性能仅提高了22.5%和40.5%。其次,参照局部敏感性分析方法建立了基于器件性能指导热电材料发展的反演优化数学模型,并利用该模型分析材料关键物性(塞贝克系数、声子热导率和电导率)对器件性能的重要程度,从而指明热电材料的优化方向。对于常规器件用热电材料而言,其优化方向应集中于提高材料的塞贝克系数和降低声子热导率;而对于微型器件用热电材料来说,应当优先提高其塞贝克系数。对于目前文献中已有的ZT值大于1.5的热电材料而言,优化塞贝克系数是提高相应器件发电性能的最有效措施。此外,运行工况(热端输入功率、冷端散热器)和热电臂高度对热电材料的优化策略也会产生较大影响。因此,在选择材料优化方式之前应充分考虑其实际运行工况。最终,本论文提出了一种基于热电器件发电性能反向指导材料优化的方法。本论文点明了当前界面效应的影响特性及其优化目标,分析了常规、微型器件用热电材料对器件性能的影响特点,也总结了当前热电材料的优化策略,对获得高性能热电发电材料、制备高性能热电发电器件等方面具有较高的参考价值和指导意义。

关键词：热电材料热电发电器件界面效应材料优化策略微型热电器件

动态非均匀热流密度下热电器件的热—应力—发电性能研究

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动态非均匀热流密度下热电器件的热—应力—发电性能研究

作者：潘滔华中科技大学

学位级别：硕士

温差发电技术作为一种新能源技术,各方面的理论研究和应用已开展了近一个世纪,可以作为缓解能源危机的有效手段;同时,由于温差发电技术具有无噪音,无介质泄漏、零排放的优点,决定了其对环境的友好。此外,温差发电器还具有移动方便、使... 详细信息

温差发电技术作为一种新能源技术,各方面的理论研究和应用已开展了近一个世纪,可以作为缓解能源危机的有效手段;同时,由于温差发电技术具有无噪音,无介质泄漏、零排放的优点,决定了其对环境的友好。此外,温差发电器还具有移动方便、使用寿命长、维护成本低、重量轻、无磨损、体积小等优点,故近年来已引起广泛关注。本论文主要建立热电发电器的热-电-应力耦合模型,分析了热电发电器在不同工况下的电能输出和应力特性,同时分析了对热电器件电能输出和应力分布特性的影响因素。首先建立热电器件的传热-发电-应力耦合数学模型,分析了热电材料物性参数随温度变化对输出特性的影响,热辐射对输出特性的影响。然后分析了非均匀热流密度对输出特性的影响,基于相同热流量下分析不同的热流集中度的影响。通过选取模块不同的横截面可以看到在非均匀热流密度下模块内部的温度云图,进一步分析非均匀热流密度对其效率产生影响的原因。研究了热电器件的启停特性。研究稳态输出特性后又研究了其非稳态输出特性,观察了物性参数、热辐射对温度和输出电压影响的过程,同时对比非均匀热流密度的施加方式,高斯热流密度和非均匀热流密度。其次研究了热电器件的热应力结果,从热应力模拟结果云图可得到该模块热应力最大节点,结果表明模块最大热应力节点在铜板和热电材料接触直角处,追踪该节点进行非稳态分析,得到从开始到稳态过程该节点热应力变化。通过选取模块内的一系列截面,得到模块热应力形成过程以及最有可能发生热应力破坏的区域,观察其热应变云图和位移云图。同时还通过非稳态分析的云图结果得到其热应力形成过程。然后研究了铜板厚度和聚热层厚度对热应力大小的影响,以及对发电稳定性,应力稳定性的影响,以及热流密度,温度和热应力之间的相位关系。

关键词：热电发电器件发电效率热应力非稳态