温差发电器件的结构优化与数值模拟

建立了温差发电器件的数学模型,通过理论分析与推导得到了经过优化后的热电臂尺寸结构使温差发电器达到最大转换效率。采用数值模拟方法比较了传统式和尺寸优化式温差发电器件的电学性能。结果表明:相对于传统式结构,尺寸优化式结构的输出电压、输出功和效率均会呈现出不同程度的提高;输出电压随外阻的增加而增加,输出功和转换效率随外阻的增加呈现出先增大后减小的趋势。     

热电发电器件的输出功率和效率的解析模型

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.     

热电发电器件能量转换效率测量

热电器件可以实现热能和电能的直接转换,在废热回收和固态制冷领域具有重要的研究价值,对热电发电器件的能量转换效率进行精确测量是评价热电材料和器件性能的重要基础。针对测量过程中存在测量参数多、误差来源广等问题,本文从测量原理出发,通过公式推导和合理赋值对影响能量转换效率测量的因素进行详细分析,指出提高器件输出功率和冷端流出热流值的测量精度对于获取准确的转换效率必不可少。其中,器件输出功率的测量结果主要受界面接触电阻的影响,冷端流出热流值的准确获取则需要选择合适的参比试样。此外,当热端温度较高时,还需要考虑热辐射的影响。最后,简要总结了近年来高能量转换效率热电发电器件的研究进展和面临的挑战。     

微热电发电系统

微热电发电系统是一种利用半导体材料的热电特性之一的塞贝克效应．将热能转化为电能的微型能量转换系统。介绍微热电发电器系统的应用背景及其核心部分微热电发电器件的结构,提出了一种新型的水平型双层微热电发电器,并就其结构模型进行了有限元仿真与优化设计     

N型热电偶及其应用

传统廉金属热电偶具有固有的测量范围局限和热电不稳定性两大缺点,而N型热电偶在传统廉金属热电偶的测温上限处可持续工作,且具有很高的热电稳定性.因此,逐步淘汰传统的廉金属热电偶而推广使用N型热电偶,对工业生产具有技术与经济上的意义.     

接触热阻和电阻对温差发电器输出功率的影响

温差发电器与设备连接时存在一定的接触缝隙,存在接触热阻和接触电阻,从而影响温差发电器输出功率计算的准确性,故基于数值计算方法分析了接触热阻和接触电阻对计算结果的影响.结果表明:在数值分析过程中必须考虑接触电阻和接触热阻,否则会出现与实际相悖的结论;在考虑接触热阻的过程中需要知道接触热阻的准确数值,否则即使考虑接触热阻,也可能会由于数值不准确导致结果失去参考价值;无论是否考虑接触热阻值和接触电阻值,随着外接电阻值的改变,输出功率和效率都存在极值.     

CMOS兼容的微机械热电堆红外探测器阵列研究

通过设计2种不同微机械热电堆红外探测器阵列结构,对微机械热电堆红外探测器阵列性能进行研究.阵列器件采用二维的面阵列结构,单元探测器分别以串联和并联2种方式分别组成阵列,微机械热电堆的热电偶材料采用N型多晶硅和铝,结构支撑膜为氧化硅-氮化硅-氧化硅复合介质膜,悬浮绝热结构通过前端XeF2干法各向同性硅腐蚀工艺制作.采用XeF2干法工艺对器件进行最终释放,器件成品率得到了很大的提高;热电堆的材料及制造工艺都与标准CMOS技术完全兼容,降低了器件的制作成本,并且能够适用于器件的批量生产.试验结果表明:并联方式的阵列可以实现红外探测并行扫描的功能,串联的阵列则可以进一步提高红外探测器的输出电压及探测率,但不能提高器件的响应率.     

温差发电过程仿真分析

为了能够更方便地研究温差发电过程,基于ANSYS软件建立了温差发电模型,并在验证该模型的基础上进行了相关分析。分析结果表明:温差发电模型需要考虑接触热阻和接触电阻的影响,否则该模型无法正确描述温差发电过程;电偶臂长度对温差发电过程有较大影响,在一定的外部条件下,电偶臂长度存在理想值,且在该理想值两侧发电器输出功率的变化规律与电偶臂长度变化规律相反。同时,根据实验对比结果可知该模型有较好的精度,可以用于后续分析。     

接触热阻对相变耦合温差发电系统的影响

在汽车尾气温差发电系统中, 热量在传递的过程中通常要经过若干个接触界面。而界面间的接触热阻影响 着热量的传递效率和热电器件冷热两侧的实际温差, 进而影响到系统的发电性能。利用工业热风机模拟汽车运行实 际工况, 使用装载有相变材料(phase change material, PCM) 的温差发电系统, 通过涂抹不同导热系数的导热硅脂来 调节热电器件与系统间的接触热阻, 研究了接触热阻对PCM 以及系统输出电压的影响。研究发现, 同时减小热电 器件两侧与系统间的接触热阻会削弱PCM 的储热能力; 相较于减小热电器件热面与系统间的接触热阻, 减小热电 器件冷面与冷端换热器间接触热阻, 对温差发电系统输出电压的提升效果更为显著。     

强化现象启发的随机振动能量收集器优化设计

为了使宽带振动能量收集器件的平均输出功率最大,以压电型随机振动能量收集器件为研究对象,系统讨论优化设计问题.通过建立器件随机响应与输出功率统计量的解析表达式,证实了平均输出功率的局部强化现象.讨论给定激励点位置时,压电片布置位置和压电片尺寸的优化,讨论最优尺寸随激励作用点和激励带宽的变化关系.研究表明:激励作用点及对称位置是布置压电片的较好位置,压电片的最优、次优、最差、次差位置相隔很近;为了得到最大的输出功率,压电片尺寸应略大于最优尺寸.     

两级热电单偶输出性能的三维有限元分析

针对以往研究中热电单偶一维传热模型的不足,提出了一种新型的两级热电单偶,对传统热电单偶和两级热电单偶分别建立三维有限元模型,确定模型的温度,对流换热和电势边界面,设定合理的边界条件,在ANSYS Workbench环境中进行仿真分析.应用控制变量法,研究不同输入变量对两种热电单偶各自输出性能的影响并进行比较分析.结果表明:负载值大小影响输出电压和电流,当负载值小于某个临界值时,两级热电单偶的输出电压和电流优于传统热电单偶,而最大输出功率始终大于传统热电单偶.     

Influence of structure parameters on performance of the thermoelectric module

A numerical model of thermoelectric module (TEM) is created by academic analysis,and the impacts of the resistance ratio and thermoelement size on the output power and thermoelectric efficiency of the TEM are analyzed by the MATLAB numerical calculation.The numerical model is validated by the ANSYS thermal,electrical,and structural coupling simulation.The effects of the variable physical property parameters and contact effect on the output power and thermoelectric efficiency are evaluated,and the concept of aspect ratio optimal domain is proposed,which provides a new design approach for the TEM.     

单臂热电元件的热电性能测试方法比较研究

用固相反应法制备(Ca_1-x Y_x) MnO₃(x分别为0、0.03、0.05、0.07、0.09 mol)热电材料, 用自制设备测试样品的热电性能, 研究Y³⁺掺杂对CaMnO₃热电性能的影响。结果表明:Y³⁺掺杂可以有效地改善样品的热电性能, 其中(Ca_0.91Y_0.09) MnO₃样品的热电性能较优; 当高温端温度为880 K时, 测得电阻率为74 m Ω · m, Seebeck系数为-112 μV/K, 输出功率达到68 mW。     

温差电组件串并联连接的热阻解析模型

为了选择合适的温差电组件和外部换热器,根据非平衡态热力学理论和牛顿冷却定律,对温差电组件采用串并联连接方式的温差发电系统进行了研究,导出了系统输出功率的热阻解析模型,探讨了温差电组件总数量、并联组件数量、热电模块及其热端和冷端的热阻等对系统性能的影响.结果表明,系统电阻与负载电阻、热电模块热阻与其热端和冷端的热阻之间存在匹配关系,能使系统获得最大的输出功率;随着并联组件数量的增加,最大输出功率和回路电流得到了提高,但系统的输出电压却降低了.研究结果为温差发电系统的合理装配及性能优化提供了理论参考.     

热电发电机换热面积最优分配

考虑实际多热电单元发电机,在总传热面积一定的条件下,研究最优功率、效率时传热面积的最优分配,并分析了各种参数对最优性能的影响, 所得结果对实际热电发电机性能分析与优化有一定的指导作用。     

热电制冷器温度依赖的材料参数的提取

为获取通常情况下大部分厂家保密但在计算过程中所必须的热电制冷器(TEC)的热电材料参数,对温度依赖的热电材料参数进行了提取.利用一款一级TEC性能的测试结果,基于热电基本公式,根据两种不同的材料参数取值方法分别建立了两个超定方程组,通过对这两个方程组进行求解,分别提取了两组TEC的热电材料参数.并用所提取的两组热电材料参数对另一款相同材料的5级TEC性能进行了计算以验证所提取材料参数的有效性.结果表明:厂家性能曲线误差随级数增加而增大,对于5级TEC,制冷温度误差可达20 K以上,这在TEC选型中应予以重视;本文所提取的材料参数在计算另一款5级TEC制冷温度时,不同制冷量下误差最大为1.6 K～6.1 K.同时,电压的计算结果表明计算模型中接触电阻是不可忽略的,通过所提取的电阻误差对电压的计算进行修正后,在TEC适用工作电流区间内,两组参数计算的电压相对误差分别小于4.80%和7.00%.本文方法计算的制冷温度误差约为极值法误差的1/5～1/2,约为厂家参数误差的1/10～1/4,准确度与有限元法利用热电材料参数实测值计算的结果近似,可有效的用于相同材料TEC的性能评估.     

热电元侧棱设计对热电器件性能影响

热电发电器件(thermoelectric generators, TEGs) 具有体积小、质量轻、无传动部件、无污染、可靠性高等优点。然而, 目前TEGs 的输出功率仍然较低。利用有限元方法研究了不同侧棱设计热电元对TEGs 的输出功率和转换效率的影响。并进一步研究不同侧棱设计的台状和倒台状热电元对TEGs 输出功率和转换效率的影响。结果表明, 柱状热电元的热电器件的输出功率高于梯台状热电元热电器件的输出功率, 但其转换效率却低于后者, 这是因为热量在梯台状热电元内部进行横向传导, 导致热量损失。热电元棱数增加后, 热电器件的输出功率有所提高, 这是因为热电元的棱数增加会降低热量横向传导所引起的损失。而这棱数增加提升热电器件输出功率的现象在热电元下上底面积差异较大时更明显。     

嵌入式相变材料对热电发电器件性能的影响

热电器件(thermoelectric generator, TEG)能够直接将热能转化为电能,且具有体积小,无运动部件,寿命高,运行成本低等优点。相变材料(phase change material, PCM)在相变时能够恒温吸收、释放大量热量,因此被广泛应用于热电发电领域以稳定热端温度。设计了一种嵌入式的相变-热电(PCM-TEG)系统,探究了热源停止供热后的一段时间内,相同体积不同长度的PCM对TEG发电性能的影响。结果表明,被PCM包裹的长度与总长度的比值为40%时, PCM-TEG系统产生的电能最多,与不使用PCM相比,热电发电器件的输出电能增加了76.06%。PCM的使用能够提高热电发电系统对热能的利用率,且在使用的PCM的体积一定时,需要优化PCM包裹热电臂的长度以提升热电发电器件的输出热能。     

一种内阻辨识控制的热电变流系统

针对热电转换系统提出了一种四管升降压式变换器。该电路可以工作在升压、降压和升降压3种工作模式。通过对热电模块的热阻进行辨识,实现了新型最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)和功率匹配(power matching,PM)的控制方法。分析了电路的工作原理,给出了电路控制算法及流程图,并分析了系统模型。最后以20 V电压为输入,12 V蓄电池为负载,建立了该系统实验装置。结果表明:该算法能有效实现电路所需工作模式,证明了该算法的准确、高效。     

利用汽车尾气余热温差的热电转换技术

介绍了利用温差进行发电的原理、热电材料、温差发电装置结构等。重点探讨了汽车发动机尾气余热温差发电装置设计开发的具体步骤。该技术节约能源,绿色环保,应用前景广阔。