【《温差发电器的基本结构及模型分析》2900字】

温差发电器的基本结构及模型分析目录TOC\o"1-3"\h\u30181温差发电器的基本结构及模型分析 1121521.1 热电材料的优值系数 1112091.2 温差发电器的主要性能参数 2275011.3 温差发电器的传热特性 4162971.4 温差发电器性能的提升 61.1 热电材料的优值系数性能较佳的热电材料应当具备以下特点：具有较大的塞贝克系数以保证明显的温差电效应，具有较小的热导率以保持热量聚集在接头处附近，具有较小的电阻以保证焦耳热较小。热电材料的温差电性能可以用优值系数表示如下：Z=其中：R=K=式中LP和LN分别为P型、N型电偶臂长度，单位为m；AP和AN分别为P型、N型电偶臂横截面积，单位为m2；ρP和ρ由热电材料的优值系数Z定义可知，优质系数与热电材料的三个物性参数有关，即塞贝克系数∝NP、电偶臂总电阻R和导热系数K定义电偶臂的形状银子D=L/A，则电偶臂的形状因子比定义为E=(LE此时KR的值为:KR=优值系数取得最大值为：Z=设两温差电偶臂具有相同的电阻率和热导率，塞贝克系数数值上相等，则上式可简化为：Z=式中σ为温差电偶的电导率。上式只涉及一种温差电材料的物性参数，即与温差电偶的电导率成正比。优质系数Z的单位为K-1，通常为了简化数学计算过程，一般取ZT这个无量纲的值作为衡量温差电材料的标准，称为无量纲优值。从式（2-15）可知，塞贝克系数、电导率和热导率这三个参数决定了温差电材料的性能，性能越优良的温差电材料，其塞贝克系数和电导率就应越高，热导率应越低。但在实际情况下，这三个方面往往无法同时满足。电导率会随着载流子浓度的上升而上升，但塞贝克系数却随着载流子浓度的上升而大幅下降，只有在特定载流子浓度下才会获得塞贝克系数与电导率的乘积最大值。热导率与电导率成正比关系，随着电导率的上升，热导率也会随之上升。综上，通过提高温差电材料的优值系数只能在有限范围内提升温差发电器的性能。1.2 温差发电器的主要性能参数假设：温差电材料的性能与温度关系较弱或无关，且性能参数为常数并且忽略汤姆逊效应的影响，导热只沿电偶臂热端和冷端方向，整体系统中只考虑热传导方式传递的热量，则可得到各电偶臂上的温度分布方程：λλTT上式中，λ为材料的热导率，τ为材料的汤姆逊系数，A为材料的横截面积，L为材料的电偶臂长度，R为材料的电阻，T为材料的温度，I为回路中的电流。可以进一步计算出热端吸收的热量Qh和冷端释放的热量QQQ式中，∝为塞贝克系数，单位为V/K；K为温差发电器的导热系数，单位为W/K；RG由式（2-20）和（2-21）可知，温差发电器产生的焦耳热共分为两部分，其中一部分传递到热端，另一端传递到冷端。热端消耗的热量由帕尔贴热∝ThI及不可逆的传导热K∆衡量温差发电器性能的参数有发电效率和输出功率，通常将多对温差热电偶串联以增大其输出电压和带负载的能力。设串联的温差热电偶数量为m，则回路中由塞贝克效应所产生的温差电动势为：U=mα∆整个回路的电阻由发电器自身内阻和负载电阻组成，输出电压即温差电动势施加在负载电阻上的部分：U电流为：I可得到温差发电器的输出功率：P热电转换效率为：η=设S为负载电阻与发电器内阻的比值，即S=RLmRP此时的比值S=1，即负载电阻与发电器的内阻相等时，发电器达到最大输出功率。当dηdSη输出电压、电流、功率及热点转换效率即为温差发电器的性能参数。有以上四个性能参数的表达式可得出，温差发电器当负载电阻一定时，其输出电压、电流与热端和冷端的温度差成正比，输出功率与热端和冷端的温度差的平方成正比。可知，温差发电器的性能不仅与负载状况有关系，而且与热端和冷端的温度差有关。提高温差发电器性能的主要方法是提高热端温度并降低冷端温度，即加强热端取热并优化冷端散热，。1.3 温差发电器的传热特性由1.2节的分析可知，温差发电器的温度差对发电器功率及效率的影响至关重要。在对温差发电器的优化设计中，通过研究其传热形式是改善其输出性能的重要方法。温差发电器中的传热过程实质为几个环节的串联，热端由热源吸收热量传递至发电组件后经由冷端传递至散热器传递至环境当中。由传热学理论可知，减小热阻有助于增强传热性能。为了减小发电器的热阻，提高冷热端的温度差并进而提升发电器的性能，使用热阻分析法对发电器的传热性能进行分析，研究发电器中的热阻分布。图2-3为半导体温差发电器除聚光器部分以外的的传热网络模型。图2-3发电器的传热网络模型上图中，Tl表示发热源的温度，TH和TC分别表示温差发电器的热端和冷端温度，；Ta为环境平均温度，Tf表示散热器鳞片的平均温度，上述单位均为℃；λ1和λ2分别表示陶瓷绝缘部分和铜片的导热系数，单位为W/(m·K),θ1、θ2、θ3、θ由热阻分析法，可得出上述图中各部分热阻：θθθθθ当温差发电材料和绝缘陶瓷片及导流片间接触良好时，以上两者的热阻可以忽略不计。若忽略绝缘陶瓷片和铜制导流片在式（2-30）中的影响，则该式可简化成：θ将θ3、θ4、θ5θθC1.4 温差发电器性能的提升由1.3节可知，温差发电器性能的优劣与负载及温差发电器自身的设计有很大的关系，提升温差发电器的性能可从以下方面入手：（1）由1.1节的分析可知，温差发电器的发电效率与所使用热发电材料的优值系数Z有关。式（2-15）给出了温差发电材料性能最佳时的电偶臂尺寸与材料的关系，P、N电偶臂材料的面长比关系如下：MP、N结通常选用电阻率和热导率相近的材料制作，实际应用情况下首先根据外部电路情况选择电偶臂的电阻值，依据电偶臂的电阻值来设计电偶臂面长比。（2）根据1.3节的分析，温差发电器热端至冷端的热阻占整个网络的热阻越大，则温差发电器的性能越好。在实际当中，温差发电材料和铜导流片以及陶瓷导热片与导流片、陶瓷刀热片与热端、冷端之间均会存在接合不紧密的情况，各个接触面均会存在一定的热阻，并存在一定的温差。接触热阻会降低温差发电器的性能，优化热电材料与导流片、导流片与陶瓷片间的制造工艺，采用更高性能的导热硅脂材料填充陶瓷导热片与热端及冷端之间存在的缝隙，尽可能减少接触热阻，以尽可能减小接触热阻对温差发电装置性能的影响。（3）由1.2节的分析