热电薄膜尺寸对含Y型单元薄膜温差发电器输电性能的影响

基于热电效应,薄膜温差发电器(mTEG)可将人体热转化为电能,替代需频繁更换或充电的蓄电池,使可穿戴电子设备实现自供电。相比传统π型器件,含Y型热电单元的薄膜温差发电器具有更强的热回收能力,采用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件,研究在实际自然对流条件下热电薄膜尺寸对含Y型热电单元薄膜温差发电器输电性能的影响。结果表明:热电薄膜长度越大,mTEG产生的开路电压越小,内阻越小,而宽度对两者的影响则呈现几乎相反的趋势。负载电阻不同时,最大输出功率对应热电薄膜最佳宽度均为610μm;热电薄膜长度为1 800μm、负载电阻为1.1 kΩ时,存在最佳输出功率,为0.57 nW,相比原设计,输出功率提高了185%。

非对称热阻对温差发电器性能的影响

为了优化温差发电器的热阻,并提升其性能,研究了温差发电器两端热阻不同时的输出性能变化.利用不同导热系数和厚度的外陶瓷基板,模拟了温差发电器两端热阻,分析了两端热阻相同与不同两种情况下,温差、开路电压、输出功率随热源温度和负载电阻的变化规律.研究结果表明:温差发电器两端热阻相同时,其温差和开路电压随热源温度的增加而增加;两端热阻不同时,其开路电压和最大输出功率随热源温度的增加而增加;随着负载电阻的增加,有效温差也逐渐增加,功率则呈先增加、后减少的趋势;以两端热阻相同时温差发电器的性能数据为基准值,热端采用较小热阻的陶瓷基板更有利于提升温差发电器性能,且在最大输出功率附近性能提升效果更为明显,开路电压、最大输出功率和有效温差最大值分别增加了0.64 V、0.87 W和24.5℃.

不同级数温差发电器的输出特性

温差发电器因其安全、轻便和环保等优点而广受关注,近年来由于热电材料的局限性,提出采用多级堆叠来提高温差发电器的性能。为了对比研究不同级数温差发电器的输出特性,建立了多级温差发电器三维仿真模型,与实验对比误差小于8.6%,验证模型准确性。基于该模型,在固定冷端温度时,改变热端温度以研究温差发电器的性能。结果表明:在冷端温度固定303.15 K时,不同级数温差发电器有其最佳的工作温度范围,当温差在150 K以内时,BT单级温差发电器效率较高;温差大于550 K时,三级温差发电器有着较高的发电性能。分析不同级数的温差发电器输出性能变化规律,为实际不同工况下选取温差发电器级数提供参考。

陆地用60 W级^(241)AmO_(2)放射性同位素温差发电器的输出电性能计算及安全性分析

放射性同位素温差发电器(radioisotope thermoelectric generator,RTG)具有寿命长、环境适应性强等优点,可广泛应用于海、陆、空中的复杂场景。其中,为陆地设备供电是RTG的一个重要工程应用领域。^(241)AmO_(2)由于具有半衰期长,获取渠道广泛,剂量率低等优点,可作为陆地用RTG能源供给的来源之一。本研究设计一款60 W级^(241)AmO_(2)驱动放射性同位素温差发电器,并基于ANSYS有限元分析软件,计算其在陆地中不同环境温度下应用时的电性能和安全性。计算结果显示,环境温度影响^(241)AmO_(2)-RTG的最大输出功率和温度分布,当环境温度为-60~50℃时,其最大输出功率最低为66.0 W,最高可达75.7 W,源芯最高温度为789℃,热电模块热端最高温度为717℃。输出电性能和源芯温度满足设计指标及安全需求。

温差发电器及其在航天与核电领域的应用

概要介绍了温差发电器的基本原理。半导体温差电元件可将放射性同位素的衰变热直接转换成为电能,为月球表面科学试验装置、外层空间探测器等提供电源;也可将反应堆的余热转换为电能,为事故后监测仪表提供可靠的电源保障。

半导体温差发电器的工作性能优化

应用有限时间热力学理论分析了半导体温差发电器的工作性能。推导了在内外均不可逆情况下发电器的输出功率和效率的表达式,并在此基础上重点讨论了发电器在外部条件变化时的性能,获得了一些有意义的结果。

串联连接半导体温差发电器的解析模型

为了准确表述串联连接半导体温差发电器的输出性能,根据热力学理论、半导体热电理论和能量守恒定律,通过理论分析和计算,建立了串联连接半导体温差发电器的解析模型,得到串联回路电压、电流和输出功率的近似表达式.为验证得到的模型,搭建了一个试验平台,测试了由2个分别工作在不同冷热端温度的温差发电器组成的串联回路的输出性能.研究结果表明:接触效应使得串联回路的输出功率减小;只有当忽略接触热阻的时候,串联回路的匹配负载才等于回路总内阻;利用温差发电器串联模型得到的结果与试验测试数据基本相符;该模型可应用于温差发电器的性能研究和设计制作.

接触效应对小型半导体温差发电器性能的影响

针对小型半导体温差(TEG)发电器中接触热阻和接触电阻的影响进行了分析研究.结果表明,接触热阻和接触电阻只在2mm以内的电偶臂长度内有明显影响;在电偶臂长度小于1mm时,输出功率和热电效率均有一个急剧上升的变化阶段;当长度超过5mm后,输出功率和热电效率均趋于定值;在冷热端温度分别为283和383K,Z=0.0024K-1、电偶臂长为2mm、接触热阻比0.2和接触电阻比0.1条件下,热电功率约为4mW/mm2,热电效率约为3.5%,而理想无接触热阻和电阻的热电效率约为4.2%.由此可知,半导体温差发电器中接触热阻和接触电阻的影响不可忽视.

温差发电器热电性能测试平台的搭建

为准确把握温差发电器的热电性能，课题组根据温差发电器件的原理、结构、特点以及主要的热电性能参数，搭建了一套能够较为精确测定温差发电器热电性能的测试平台，并在此基础上进行了一系列的温差发电器的热电性能测试。实验结果证明该测试平台能够精确测定温差发电器的热电性能。

前苏联和俄罗斯同位素温差发电器发展状况

放射性同位素温差发电器是将放射性同位素的衰变热利用塞贝克效应直接转换成电能的一种高生存力的致密能源,是目前月球表面和深太空探测以及偏远地带用可供选择的最佳电源。详细介绍了前苏联和俄罗斯空间和地面用同位素温差发电器的研制、应用和发展状况。给出了代表性产品的主要技术性能。从结构设计上分析了放射性同位素温差发电器的核安全问题,阐明了其在俄罗斯的分布情况、数量、服役状态和存在的危机。

太阳能驱动半导体温差发电器性能参数的优化设计

应用非平衡态热力学理论,研究太阳能驱动半导体温差发电器的性能特性,确定发电器在最大效率时的优化条件,对系统的主要参数作了详细的讨论,得到一些有意义的新结论。

车用内置式温差发电器换热性能的数值模拟

本文针对提出的一种内置高强度温差发电器的结构,采用FLUENT软件对其对流换热系数、速度模量、径向速度进行分析,并和平板式温差发电器进行对比。结果表明提出的新结构在壁面换热方面优于平板式温差发电器,在节能应用中有很大潜力。

半导体温差发电器性能的优化分析

本文应用有限时间热力学理论分析半导体温差发电器的优化性能，导出在导热、热漏和焦耳热三种主要不可逆因素影响下发电器的输出功率和效率，由此讨论了发电器的性能与其半导体材料、元件结构以及负载电阻等之间的关系，获得一系列重要结论，它对如何合理地选择发电器的负载电阻和优化半导体元件等提供了一些新的理论依据．

半导体温差发电器发电电气特性试验研究

文章根据塞贝克效应(Seebeck effect)、珀尔帖效应(Peltier effect)、汤姆逊效应(Thomson effect)原理,制作了半导体温差发电器系统,通过试验测试获得了在不同温度等级下的电气特性。结果表明,开路电压和负载电压随温度升高呈线性上升趋势。当温度一定时,电流随负载变化呈几何对数增长,并找到了电压越低输出功率越大的功率特性。

多级温差发电器串并联分析模型

为了准确描述多级温差发电器的输出特性,本文提出了热电模块的三种连接方式。根据热力学理论、半导体热电理论和能量守恒定律,通过控制体积法建立了多级温差发电器串并联连接的分析模型。由Newton-Raphson数值算法仿真后得到了三种连接方式的输出特性,并分析了系统负载、热电模块的接触效应以及冷热端热阻对温差发电器输出性能的影响。结果表明,该模型具有参数求解简单、计算量小、适应性强等优点,能够描述多级温差发电器内部温度场、输出特性以及系统匹配负载等关键参数,为温差发电器的设计和优化提供了理论参考。

温差发电器中热电材料物性的影响分析

考虑温差材料的塞贝克效应及电流的珀耳帖效应,与传热方程相结合,建立了温差发电器的一维计算模型,数值模拟了温差发电器的热电耦合工作过程。主要分析了温差材料的导热系数、电阻率和塞贝克系数的变化及其变物性计算对温差发电器工作性能的影响。计算表明,材料的导热系数、电阻率及塞贝克系数对发电器转换效率的影响规律均为非线性的,其中导热系数的影响作用最明显;当发电器的温差电元件物性参数差别较大时,其内部有不同的温度分布,采用平均值计算会有明显的误差;温差材料物性参数随温度变化后,发电器工作性能有较大的变化。

温差发电器的研究进展

温差发电器是能将热能直接转化成电能的固态装置,具有结构简单、稳定可靠、无运动部件、绿色环保等优点,广泛地应用于航天、军事等领域,在废热的回收利用方面也展现出良好的应用前景。本文简要地介绍了温差发电器的工作原理及其结构,介绍了体温差发电器和微型温差发电器的国内外研究进展,并进行了对比分析,提出了温差发电器中存在的问题及解决方案,最后展望了温差发电器的前景。

温差发电器工作特性的数值研究

考虑温差材料的塞贝克效应及电流的珀耳帖效应,与传热方程相结合,建立了温差发电器的一维计算模型,数值模拟了温差发电器的热电耦合工作过程。分析了温差发电器的热环境、回路中负载电阻值等参数及温差电单体对的连接方式对发电器工作性能的影响。研究结果表明,提高温差发电器热端的加热热流或增加冷端的换热系数均能提高发电器的输出功率及热电转换效率,但两者的影响趋势不同;供电回路的负载电阻对发电器温差电元件的温度分布有明显的影响,并可导致发电器最大输出功率的状态点发生漂移;温差电单体对不同连接方式对发电器性能有明显的影响。

温差发电器热电材料的研究进展

介绍了温差发电器的材料、性能发展情况。简要介绍传统材料的性能,具体介绍了低热导率纳米材料、掺杂半导体材料和薄膜材料等的最新进展,阐述了对温差发电器组件结构和热交换进行优化设计,从而提高发电器性能。