微小型热电发电器建模及优化设计研究

微小型热电发电器由于尺寸较小,接触内阻以及结构的覆盖层、导流层等对输出功率和热电转换效率都有不可忽视的影响。结合上述因素,并考虑到汤姆孙效应,建立了微小型热电发电器输出功率和效率的数学计算模型。并以最大功率或者最大质量(体积)比功率为目标函数,对最大功率时的负载电阻、电偶臂对数和电偶臂长度等性能参数进行了优化分析,得到了相应的计算公式,为进一步的设计提出了理论指导,并通过实验进行了性能分析验证。最后分析了微小型热电发电器新的加工工艺和发展动向。

微型热电发电器的性能测试分析

按照微型热电发电器输出功率的理论模型,对内阻、塞贝克系数和热导率等热电性能参数在不同温度范围内进行了测量和拟合。实验测试了不同电偶臂对数、电偶臂高度以及不同冷热端温度时微型热电发电器的最大输出功率,结果表明:一定范围内的最大输出功率随电偶臂高度的减小而增大,对电偶臂高度面积的比值进行适当选取,可使最大输出功率达到最优值;一定范围内的最大输出功率随电偶臂对数的增多而增大;温差和平均温度达到一定值时,最大输出功率可得到最优。根据测试分析结果,研制了微小型热电转换装置。

微小型热电发电器研究进展综述

微机电系统(MEMS)的广泛应用推动了微型动力源的研究发展。微小型热电发电器(PowerMEMS)具有体积小、安静、无运动部件等优点,可用于多种特殊的场合。对国内外热电材料及微小型热电发电器的最新研究情况进行了概述,阐述了几种热电发电器的性能特点,并进行了对比分析。提出微小型热电堆方案具有体积小、功率密度高的特点,具有广泛的应用前景。讨论了微小型热电发电器的性能优化以及微加工实现的一些关键问题。

可穿戴热电发电器的研究进展

人体的能量大部分以热量的形式释放,其与外界的温差平均约5~30℃,因此体热可以很好地作为热电发电器的热源。与传统发电器相比,可穿戴热电发电器将人体所散发的低品位热量转化为有效电能,有可能为一些功率要求小于毫瓦级的无线传感器节点提供足够的能量,同时还具备无污染、轻便、稳定等特性,因此越来越受到关注。目前柔性可穿戴热电发电器的研究主要聚焦基于块体型热电材料、基于薄膜状型热电材料和基于纺织织物型热电材料的三大类热电发电器。其中,块体型热电发电器的输出功率一般为每平方厘米几十微瓦,热电臂材料主要为室温热电性能较高的碲化铋基合金,研究重点在于提升这类器件的输出性能和柔性。薄膜型热电发电器的输出功率一般在每平方厘米纳瓦和微瓦之间,按结构可分为水平型和垂直型,常见的水平型器件包含串联型、堆积与卷起型和折叠型,通常会产生较大的输出电压;而垂直型器件单位面积的热电臂对数增多,会产生较大的功率密度。纺织织物型热电发电器输出功率较小,但是具有优良的拉伸、弯曲和面内剪切性能,可以适应3D变形,更适合在弯曲的人体皮肤表面收集热量。本文综述了以上三大类主流的柔性可穿戴热电发电器的研究状况,并从设计、结构和性能方面分析了各类热电发电器的优缺点。

热电偶臂构型尺寸对环形热电发电器性能的影响

基于一维稳态热传导理论提出环形热电发电器(ATEG)的数学物理模型,考虑P型和N型热电偶臂的构型尺寸、材料热电性质不对称性以及界面接触阻力对其输出性能的影响.针对理想的环形热电发电器,基于最大能量转换效率原则建立P型和N型热电偶臂构型尺寸与材料性质间的最优定量关系.考虑界面接触热阻和界面接触电阻效应的影响,给出相对于精确解更方便实用的电流线性简化解,确定环形热电发电器最大输出功率、最大能量转换效率对应的P型、N型热电偶臂圆周角度比.发现界面接触对小尺寸器件的热电偶臂圆周角度比影响显著,但随着器件构型尺寸的增大,比值逐渐趋近于理想器件的结果.当器件尺寸参数sr>2时,可以基于理想模型指导环形热电发电器的设计计算.

柔性热电发电器的关键工艺及其展望

热电发电器是固态能量收集器,以可靠和可再生的方式将热能转换成电能。过去几年的研究表明,人体的热量可以很好地被柔性热电发电器转换为电能并加以利用。与用于可穿戴设备的其他传统发电器相比,柔性热电发电器可利用低品位的热能发电且环境友好。柔性热电发电器将有可能为任何无线传感器节点提供足够的能量(通常功率要求小于毫瓦级)。本文综述了热电发电器的概况,重点介绍了制造柔性热电发电器的关键工艺,讨论了热电发电器的基本原理、效率、应用以及存在的一些问题。

热电发电器的研究进展

简要介绍了热电发电器的原理、特点、基本结构及其改进措施,总结了近年来国内外在热电发电器件研究方面的现状,最后展望了热电发电器的前景。

磷酸燃料电池-两级并联热电发电器混合系统性能分析

为回收利用磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cell,PAFC)运行中产生的余热以提高系统整体性能,建立一个由PAFC、回热器与两级并联热电发电器(two-stage parallel thermoelectric generator,TPTEG)组成的混合系统模型。综合考虑PAFC的过电势损失、回热损失、热漏以及半导体的主要不可逆损失,通过数值分析得到PAFC的工作电流密度与TPTEG的工作电流密度之间的关系,确定混合系统中TPTEG的工作电流密度区间,推导混合系统的功率和效率表达式,分析TPTEG对PAFC余热回收的影响。结果表明,PAFC-TPTEG混合系统性能优于单一PAFC系统。研究燃料电池的工作温度、工作压力,热电元件对数、导热系数、优值系数对混合系统的影响,所得结果可进一步为研究PAFC与半导体热电发电器的混合系统性能提供一些理论依据。

热电腿几何位形对热电发电器性能的影响

热能可通过热电发电器(thermoelectric generator,TEG)直接转化为电能,提高TEG的性能是推进其广泛应用的关键。研究了热电腿几何位形对TEG性能的影响。采用了有限元方法求解热电耦合方程,在稳态的条件下,计算了采用长方形截面和梯形截面两种热电腿的TEG的性能。结果表明,采用长方形截面热电腿的TEG的输出功率(Pout)比其他TEG的Pout相对高出28.1%。但其热电转化效率(η)处于较低水平,且比最大值相对低10.5%。

辐射传热条件下的热电发电器性能

建立了辐射传热规律下的多单元热电发电器热力学模型。研究了其包含传热不可逆性时的性能,得到了其热端和冷端温度,以数值算例分析了装置输出功率和效率。结果表明,当热电单元数增加时,最大输出功率先增大后减小,最大效率下降。当热源温度增加时,功率和效率都增加,功率呈线性,效率则加速上升。

我国研究人员发现新型材料体系，为研制新型热电发电应用p型材料铺平道路

在科技部重大研究计划、国家自然科学基金和中国科学院“百人计划”的资助下，中科院上海硅酸盐研究所能源材料研究中心的两个研究小组突破性地提出了基于晶体结构单元的结构功能区的设计概念，并将其应用于光电和热电材料设计与制备中。

钾工质碱金属热电直接发电器件特性评价

对钾工质碱金属热电直接发电器件(K-AMTEC)的电特性和力能特性进行了分析计算,并与采用钠工质的碱金属热电直接发电器件(Na-AMTEC)进行了比较。计算结果表明,存在一个电流密度的阈值,当电极电流密度大于此值时,无论是输出电压、电极功率密度还是热电转换效率,K-AMTEC都明显优于Na-AMTEC。在热力学循环的工作温度分别为T1=473.15K、T2=1123.15K的场合,K-AMTEC的最大电极功率密度可达2.01 W/cm2,对应的热电转换效率可达30%,最大热电转换效率可达39%。

基于PSpice的热式空气流量计发热电阻模型

简要介绍了热式空气质量流量计的原理,运用King热耗散方程对发热电阻的工作状况进行分析,得到流量计的基本方程.采用PSpice软件中的受控电源模型,建立了一个发热电阻的仿真模型.结合具体电路结构,从流量计基本方程中得出发热电阻的PSpice等效电路模型参数.针对仿真电路的启动特性进行了仿真,仿真结果与测试结果基本吻合.所建立的模型,适用于对电路参数进行修改测试,加快流量计电路设计进程.

热印头发热电阻温度场的有限差分法

用有限差分法对热印头发热电阻（热阻）的温度场进行了理论计算，得到了对热阻通电与不通电两种状态下热阻的温度场．采用红外热像仪及配套系统对其进行了测试，实验结果与理论计算结果吻合良好．

非均匀热通量对热电器件性能的影响

提高冷热两端温度是提高热电器件发电效率的有效途径之一。但当施加于热端表面的热通量不均匀时,热端表面温度不均匀,系统性能受到影响。基于此,建立了热电器件的热电转换耦合数学模型,分析热电材料物性参数,非均匀热通量等参数对热电器件的功率输出特性的影响。数值模拟结果表明:材料物性参数随温度的变化对系统输出功率的影响不可忽略,热通量4 W·cm-2时物性参数对系统最高温度的影响接近4%;非均匀热通量对热电器件输出特性影响也十分显著,热通量均匀度越小,热端表面温度分布不均匀性越大,极值温度越高,高温区越小,断路电压越低。

一维热电模块的瞬态传热过程研究

建立一维热电模块的瞬态传热模型,考虑赛贝克效应、帕尔贴效应、焦耳热效应和汤姆孙效应,分析其瞬态传热和发电过程特性。模拟热电模块的瞬态传热过程,得到一维热电模块随时间变化的温度分布,获得起始与稳定下的温度分布曲线形状。在冷热端条件不同情况下,分析热电模块瞬态传热过程的温度分布,并对热电模块的电动势、闭合回路电流和最大输出功率在瞬态传热情况下进行研究。

磷酸燃料电池-两级热电系统性能分析及负载匹配

建立一个利用磷酸燃料电池(PAFC)余热驱动两级半导体温差热电发电器(TTEG)的复合发电系统模型,考虑了PAFC电化学反应中的过电势损失、回热损失、热漏以及TTEG中的主要不可逆损失,导出PAFC,TTEG和复合系统的输出功率和效率的一般表达式,得到PAFC和TTEG电流密度之间的关系。确定系统的优化工作区间,分析主要参数对复合系统性能的影响,给出负载电阻的最佳匹配条件,所得结果可为实际的PAFC-TTEG复合发电系统的设计和优化运行提供理论依据。

碱性燃料电池-温差热电制冷混合系统的性能分析

建立了由碱性燃料电池(alkaline fuel cell,AFC)、热电发电器、热电制冷器和一组板翅式热交换器组成的混合系统模型。考虑系统的电化学和热力学不可逆性损失,导出了混合系统的等效输出功率和效率的表达式,确定了燃料电池电流密度的优化区间,讨论了工作压力、工作温度、热电元件数量、热电元件传热系数、板翅式热交换器传热系数对混合系统的等效输出功率和效率的影响。结果表明,混合系统的最大输出功率密度及对应的效率,相比单独的碱性燃料电池分别提高了7.56%和6.40%,相比无板翅式热交换器时分别提高了7.55%和8.04%。所得结果可为碱性燃料电池温差热电制冷混合系统的优化设计提供理论依据。

新型能量转换微器件的热力学特性综述

新型微器件因其微小体积和高效能量转换等特点而备受关注。热电发电器、热光伏电池、热离子器件和热辐射电池等构成了新型微器件,为推动新能源开发及有效回收余热提供了有效途径,这些固态能量转换器件在两个不同温度的热源间运作,以物理机制将热能部分高效转化为电能,呈现出卓越的功率密度和转换效率。探讨了新型能量转换微器件的热力学特性,结果表明,这些新型微器件在能量转换效率方面表现出色,可满足人们对清洁、高效能源的迫切需求,为能源转换技术的发展提供支持。

3KWPDM中波广播发射机元器件维修浅析

本文从客观的角度,比较详细的阐述了3KWPDM中波广播发射机重要元器件在维修使用过程中,当出现问题和故障时,运用掌握的理论知识和已经具有的经验进行判断和推理,仔细分析故障可能有哪些元器件引起的,帮助维修人员有正确的分析故障切入点,从而顺利解决并排除3KWPDM中波广播发射机的故障。