热电臂与换热结构对低温温差发电系统性能影响

低温(<100℃)热能广泛存在于能源系统和自然界中,低温热能利用对节能降碳具有重要意义。半导体温差发电无需动力循环、通过塞贝克效应将低温热能直接转为高品位电能,具有很好的发展前景。提升半导体温差发电系统性能途径主要有热电臂和冷热源换热结构及其系统优化。在低温热能利用中热电臂与冷热源换热器结构优化特征规律尚不明确。建立了半导体低温温差发电系统数值模型,分析不同热电臂与冷热源换热结构,在不同工况下,考虑冷热源换热系统阻力与水泵能耗条件下,对温差发电系统净输出功率和发电效率的影响。结果表明,热源为35~100℃时热电臂为矮宽形净输出功率高;热源在60~100℃时,热电臂为瘦高形发电效率高,厚高换热翅片发电量与净输出功率较优;热源35℃时热电臂矮宽形系统净发电效率较高,薄高换热翅片净输出功率与净效率最高。

圆锥形热电臂的热电制冷器制冷性能和热应力分析

建立了三维圆锥形热电臂的热电制冷器的有限元模型,考虑了热电材料对温度的依赖性,研究了输入电流和热电臂的几何形状对圆锥形热电臂的热电制冷器制冷性能和热应力的影响,并与传统矩形做了对比。研究结果表明,圆锥形热电臂形状的设计能减小热电制冷器的最大热应力,热端铜片与焊料连接处热应力较大容易遭到破坏,适当增加热电臂的高度和冷热端横截面积之比可使冷端温度分别降低11.56 K、9.5 K。优化后的圆锥形热电臂的热电制冷器与矩形相比,冷端温度降低了1.53 K,最大热应力减小了8.9%,制冷性能提升的同时最大热应力也有所减小。

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.

一种MEMS热电制冷器的设计

研究一种基于MEMS工艺的微型热电制冷器.采用薄膜热电材料减小器件的尺寸,采用微机械加工工艺形成的硅杯结构降低衬底的热泄漏.器件在材料和工艺上都与微电子工艺兼容,易于与电子器件集成.分别讨论了热电臂长度、厚度及绝缘膜厚度等结构参数对器件最大制冷温差、制冷系数、制冷功率等性能的影响,得出最优的设计参数.分析中考虑了绝缘层热泄漏,制冷区的热对流和热辐射,以及接触电阻等非理想因素.分析结果表明,器件工作时达到的最大温差为40K;冷端温度为290K时,制冷功率为3mW.

热电器件各界面优化方法研究综述

热电技术的发展及热电器件的广泛应用吸引了世界各国研究人员的目光。热电器件的结构分析及其导电、传热性能优化是提升热电器件转化效率的有效途径之一。本文主要介绍了Bi_(2)Te_(3)热电器件的陶瓷基板、金属电极、过渡层以及热电臂界面对热电器件内部的导电、传热性能的影响。综合目前已有研究,阐明了热电器件在实际设计及使用过程中,各个界面以及连接界面存在的问题和已有的解决方法,分析了热电器件在设计、优化过程中存在的不足。

多级热电制冷器的制冷性能及主要影响因素分析

目前对多级热电制冷器的研究较少,且对制冷性能的报导尚不统一。为研究多级热电制冷器的确切性能,本文利用商用热电材料的物性参数,建立了一级至六级热电制冷器的多物理场耦合仿真模型,并通过实验验证了模型的准确性。然后从多级热电制冷器的设计角度出发,研究了外部驱动电路及内部结构参数对其制冷性能的影响。结果表明:在热端为27℃时,六级热电制冷器在电串联、电并联和独立电源驱动电路下可分别获得113.32、71.84和129.78℃的最大制冷温差。进一步探究了不同驱动电路的最佳应用场合,分析了不同驱动电路下多级热电制冷器的制冷性能出现差距的原因。并以六级热电制冷器为例,研究了各层级热电臂的高度的影响,结果表明最高层级的臂高是最主要的影响因素。

热电制冷器的结构优化研究

本文通过对热电制冷器的结构进行分析和优化,提出了一种可以提升热电制冷器性能的L形热电臂,对其各项结构参数的影响进行了仿真分析,并且建立三维模型对比了它和传统结构的性能。结果表明,相较于常见的传统结构热电臂,L形热电臂在使用传统加工工艺的情况下,可以实现近似于薄膜热电臂的性能,达到更大的冷却通量和更低的冷端温度。仿真结果表明,在热端为303.15 K定温,冷端施加30 W/cm2热负荷的条件下,L形热电臂的冷端温度比尺寸相仿的传统结构热电臂低15.33 K。同时,L形热电臂形成的热电器件在高冷端负荷、热端散热良好的条件下可以实现更好的性能,其热源温度分别较直接冷却、使用传统结构热电制冷器降低10.07 K、53.26 K。

用于激光器散热的热电制冷器结构优化研究

为了将激光器芯片温度控制在最佳工作温度范围内,本文主要研究散热模组中热电制冷器(TEC)的内部结构,采用遗传算法和TOPSIS决策法对热电耦合方程中的制冷量和输出功率进行多目标优化,筛选出尺寸因子G和热电臂对数N。使用有限元仿真评估了二者以及间隙尺寸对整体散热性能的影响规律。结果表明:在可加工的范围内,增大G和N以及减小间隙尺寸可使其获得更好的制冷性能,为激光器的高效散热提供了理论和技术支持。