【《温差发电技术的基本理论与基本模型综述》4900字】

温差发电技术的基本理论与基本模型综述目录TOC\o"1-3"\h\u1099温差发电技术的基本理论与基本模型综述 1245761.1 温差发电技术基本理论简介 1116981.1.1 塞贝克效应 1304891.1.2 帕尔贴效应 2175611.1.3 汤姆逊效应 2234041.1.4 傅里叶效应 3255151.1.5 焦耳效应 3175941.2 温差发电器的基本结构及原理 3215981.3 温差发电器的基本结构及模型分析 5277571.3.1 热电材料的优值系数 5289211.3.2 温差发电器的主要性能参数 6225531.3.3 温差发电器的传热特性 8296021.3.4 温差发电器性能的提升 101.1 温差发电技术基本理论简介温差发电基本效应五种效应组合而成，为是三种电和热相互转化的可逆效应：塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应，及两种不可逆热效应：傅里叶效应和焦耳效应。温差发电技术的三种热电转化效应之间之间相互影响，这三大效应可以用开尔文关系式统一表达，表达式如下：αd根据上式，有温差热电材料的塞贝克系数和汤姆逊系数间的关系如下：α1.1.1 塞贝克效应1821年，德国科学家塞贝克在研究两种不同金属导体组成的闭合回路系统中，在导体接头处存在温度差时，回路中由于温差产生了电动势，即为塞贝克电动势或者温差电动势。假设有两种不同的热电材料组成了闭合回路，在接头处存在温差∆T=Th−U当接头处的温差∆T=Th−1.1.2 帕尔贴效应帕尔贴效应为当电流经两种半导体组成的闭合回路时，回路导体接触点处将分别吸收热量和放出热量，该热量即为帕尔贴热，帕尔贴热与回路中电流的关系如下：Q=当电流通过接头处时该接头处吸收热量，帕尔贴系数为正，放出热量时帕尔贴系数为负。式中，πAB帕尔贴效应产生的原因是因为载流子在闭合回路的两种导体中的势能不同。载流子从一种导体进入另一种导体时，会在接头处与晶格发生能量交换，即在接头处产生了吸收或放出热量的现象。半导体热电制冷是帕尔贴效应的一个应用实例。1.1.3 汤姆逊效应1856年，汤姆逊预言了汤姆逊效应的存在。金属材料通电后，在该金属材料整体温度不一时，金属材料上除不可逆焦耳热之外，还有另外一种热量即汤姆逊热的产生，表达式如下：Q式中，τ表示汤姆逊系数，单位V/K；I表示电流，单位A。dTdx梯度，单位为K/m。若导体吸热情况下电流方向与温度梯度方向一致，则该系数为正，不一致情况下即为负。汤姆逊效应有别于塞贝克效应、帕尔贴效应之处为后两种效应发生于两者相互接触的材料构成的闭合回路中，与温度和材料特性有关，而汤姆逊效应发生在仅一种均匀导体中，仅涉及到了单一材料的温度及材料特性，汤姆逊系数为材料的自身性质，无需相对于其他材料定义。1.1.4 傅里叶效应傅里叶效应实质为热传导的过程，傅里叶效应与传热面积、温度梯度等有关，表达式如下：Q上式中，QF为傅里叶效应所产生的热量，单位为W；λ、K表示导体的热导率和总热导，单位分别为：WM-1K-1、WK-1；Th、Tc表示热端和冷端的温度，单位为K；A表示与传热方向垂直的截面积，单位为m21.1.5 焦耳效应焦耳效应是伴随着热电效应产生的一种不可逆热效应，不属于热电效应。焦耳效应与电路中电流及金属材料的电阻有关，表达式如下所示：Q式中，QJ表示焦耳效应产生的热量，即焦耳热，单位为W；I表示导体中的电流，单位为；R表示导体电阻，单位为Ω；l表示导体长度，单位为M；ρ表示导体的电阻率，单位为Ω·m；A表示导体的横截面积，单位为m21.2 温差发电器的基本结构及原理温差发电器的主要工作原理即为塞贝克效应，温差发电器实现热能与电能之间的相互转化。这种转化过程的本质是半导体热电材料中载流子及声子的运动及相互作用。P型半导体及N型半导体的热端通过金属导体电极连接，这样就形成了单个的温差电偶，多个电偶与电偶之间采用串联或并联等方式连接，组成温差发电片。温差发电片的主要结构示意图如图2-1所示。在冷端之间加入负载RL并在热端与冷端之间产生温差，负载电阻当中将有电流产生，这便实现了电能与热能的转换。图2-1温差发电片的基本结构对于半导体温差发电材料，热端与冷端之间存在温度差时，由于受到热激发的作用，P型半导体热端空穴平均热运动速率快于冷端，因此空穴由热端处向冷端处扩散，冷端由于空穴数量多而带正电，热端因缺乏空穴而带负电。同时由于电荷分布不均匀，导致导体中产生了自建电场，自建电场的存在阻碍了空穴从热端向冷端的进一步扩散，当导体内部达到静电平衡时，即会产生一定的电动势。N型半导体中载流子的主要类型自由电子，与空穴电荷数相等但电量相反，因此N型半导体内产生的电动势与P型半导体相反。由上述P型和N型半导体所组成的半导体温差发电模块产生的温差电动势为两者绝对值之和。单个P型半导体和N型半导体组合所产生的输出电压通常很小，为了增加其输出功率，可将多个温差电偶串联，并在其两端覆以导热绝缘陶瓷材料，形成类似“三明治”结构的温差发电组件，如图2-2所示。图2-2温差发电组件的基本结构1.3 温差发电器的基本结构及模型分析1.3.1 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。1.3.2 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，。1.3.3 温差发电器的传热特性由1.3.2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、θ5θθC1.3.4 温差发电器性能的提升由1.3.3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1.3.1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1.3.3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