空间斯特林热电转换技术在轨试验

为提高空间同位素电源的效率和功率,满足深空探测、载人登月和火星登陆等航天任务对航天器能源的需求,梳理了空间自由活塞斯特林热电转换涉及的关键技术,设计了天宫空间站空间自由活塞斯特林热电转换装置的在轨试验方案,在轨开展了斯特林热电转换试验,验证了空间微重力环境下双活塞自由运动的间隙密封、双活塞相位保持等关键技术,获取了空间环境下双自由活塞精确的运动相位保持及漂移特性、动力学与热力学强耦合特性等关键参数。在轨试验结果表明,试验装置在轨运行性能良好,热电转换效率达到24.72%,为未来空间高效同位素电源等不依赖太阳能的能源技术应用奠定了基础。

温差热电转换型空间热管冷却反应堆瞬态分析程序开发及验证

热管冷却反应堆采用固态堆芯设计、高温热管传热,具有结构简单、非能动、高可靠性等优点。为研究温差热电转换型空间热管冷却反应堆电源系统的瞬态特性,本文针对该型电源系统中最主要的系统(包括堆本体、高温热管、温差热电转换系统)建立了详细的数学物理模型,并开发了系统瞬态分析程序,其中堆本体模型基于OpenFOAM进行模块开发,耦合了点堆动力学模型和反应性反馈模型。通过文献和试验数据分别验证了高温热管及温差热电转换模型,结果与参考值符合较好,其中温差热电转换模块发电功率与试验值的相对偏差小于2.75%。采用该程序对KRUSTY进行了建模分析,开展了反应性引入、热电转换模块失效、负荷跟踪、主动冷却丧失工况下的瞬态分析,并与试验值进行了对比。结果表明,在上述瞬态工况下堆芯燃料表面温度与试验值的偏差小于4.1 K,程序计算结果与试验值符合较好。

星表核反应堆能量转换系统方案的初步优选与性能分析

为解决星表基地能源供给问题,选用大功率、长寿命的空间核电站作为其供电设备,对核电系统中的关键模块-热电转换的方案进行探究。通过构建多类评价指标建立评价体系,利用层次分析法(AHP)确定了热电转换的基本模型-布雷顿循环系统,在此基础上进行结构改进,建立回热式、再压缩式、预压缩式、简单中间冷却式循环系统的数理模型,推导其效率表达式,并探究系统压缩比、反应堆出口温度、冷却器出口温度、回热度等工况参数在一定变化范围内对不同结构的循环系统效率的影响,综合考虑确定简单中间冷却式布雷顿循环系统为最终的热电转换方案,以上研究可为星表核反应堆电站设计提供相应的理论指导。

基于MBSE的核反应堆热电转换系统建模

文章将SysML V2应用到基于模型的系统工程(model-based systems engineering,MBSE)方法中,结合SysML V1.x的多视图和SysML V2的语言精确性对复杂系统进行全面立体的描述.首先,基于可视化积木式SysML V2平台BlocklySysML2,针对核电系统提出了一套新的从需求分析、功能分解到系统架构的MBSE正向设计建模方法.其次,以某堆型热电转换系统为例进行适用性分析.结果表明,相较于SysML V1.x,SysML V2的关系描述更高效、更严谨,可提高MBSE的有效性.

蜂窝结构半导体热电发生器发电性能分析

热电发生器作为一种清洁的便携能源装置,在国防军工领域具有较大的发展潜力。为了实现高效和持久的电量输出,基于温差、填充比和截面积比,对仿生蜂窝结构半导体和传统立方体结构半导体的输出功率密度、输入热流量和能量转换效率进行了数值模拟研究。结果表明,空心结构半导体的功率密度总是大于实心结构半导体。在温差为300 K时,蜂窝结构器件的功率密度是传统器件的104.3%。p型热电半导体截面积大于n型半导体截面积,且存在最佳横截面积比以获得能量转换效率的最大值,横截面积比存在最佳值。在300 K、250 K和50 K的温差下,p型半导体与n型半导体的最佳截面积比分别为1.3、1.2和1。结果显示,蜂窝结构半导体在提高系统可靠性和器件功率质量比上具有一定的研究价值。

混合动力汽车热电转换装置技术设计

为提升混合动力汽车能源转换效率和燃油经济性,笔者设计了一种以车载温差发电器装置为主的热电转换装置。通过计算,笔者确定了该装置的热电效应、热电偶吸收热量和热电转换效率。根据计算结果,笔者采用质量守恒方程对冷端功能进行优化,确保快速降温以产生较大温度差异进行热电转换。测试结果表明,设计的热电转换装置具有良好的应用性能,可提高转换效率,转换结果在57%~72%之间,同时降低油耗,在7.30 km/L~7.35 km/L之间。

基于传热理论的热电能量转换系统集成分析

热电能量转换系统可实现热能和电能的直接转换。在一个完整的热电系统中,热电器件与冷热端换热器组成热阻网络,该热阻网络与冷热源之间的换热对系统性能具有决定性影响。该文从网络节点间的耦合传热关系出发,分析了外部换热对系统内部温度分布的影响,得到了实际热环境中热电系统输出性能的近似理论表达式。在此基础上,该文建立了外部换热条件与系统峰值输出功率的直接关系,并提出一套热电能量转换系统设计策略,可用于热电发电系统的快速设计。

汽车尾气余热热电转换装置设计与初期试验

为有效利用汽车尾气中的废热以提高其燃油经济性,构建了汽车尾气余热热电转换台架试验装置,通过初期试验分析了在汽车发动机不同转速下分流器对出口尾气温度的影响因素,并测试了不同气体流场结构下的集热器表面温度分布情况和热电转换模块的输出性能.结果表明,分流器在尾气热传输方面构成了很大的热阻,延长尾气在集热器内部的流动时间和路径可以有效提高其表面温度和热电转换装置的输出能力,采用蛇形流道结构的集热器表面温度分布比空腔结构更加均匀.结合初期试验结果和实际经验提出了系统设计与集成的改进措施,对今后的进一步研究工作有一定指导意义.

平面火焰微燃烧器及其温差热电转换系统

提出了一种厘米级别的平面火焰微燃烧器及其温差热电转换系统原理,即燃料氧化剂混合气相向穿过两块平行布置烧结多孔平板并在其表面形成稳定的火焰,实现燃烧器壁面温度远低于火焰温度的目的;进行燃烧器和微发电系统原型性能实验.在燃烧器烟气通道外壁面布置高导热系数薄匀热片能够有效改善热电模块热端温度场均匀性,从而提高系统安全性和输出性能.在燃烧燃料当量比(甲烷/空气)φ=0.6时,火焰温度高于800℃,壁面温度低于200℃,水冷条件下,商用碲化铋(Bi2Te3)热电模块热端150℃,系统可以获得8 V开路电压和1 W以上稳定输出功率,系统综合效率达1.6%.

基于甲烷燃烧的热电转换特性实验研究

本文介绍了基于温差热电转换原理的小型燃烧温差热电转换系统,并通过实验研究了小型甲烷燃烧器的性能特点,并对影响温差发电系统发电性能的因素进行了研究分析。实验表明:小型燃烧器工作稳定可靠,可燃流量范围和着火当量比范围较宽;负载电阻、当量比、输入能量(燃料流量)以及外界换热条件都会对系统的功率输出和效率产生明显的影响。实验中获得了最高569 mW的功率输出和0.55%的系统发电效率。

气馈式碱金属热电转换装置性能分析方法

为促进气馈式碱金属热电转换装置(AMTEC)的设计与性能评价,基于气馈式AMTEC压力模型、电模型、热模型,开发了气馈式AMTEC热电转换性能分析程序,以SAIRS-C空间电源中AMTEC模块作为计算对象,计算其输出电功率、热电转换效率、负荷跟踪特性等性能参数。结果表明,该方法所得输出电功率、热电转换效率参数与文献曲线变化趋势基本一致,但负荷跟踪特性等计算值与文献值存在一定偏差。该方法适用于气馈式AMTEC元件性能分析与评价,应用于元件设计时,程序需进一步改进。

热电转换器件的研究与应用

介绍了热电转化器件工作原理及应用,详细论述了热电器件的关键部件——热电材料的研究进展,分析了目前热电制冷和发电器件的研究现状,有限元分析成为器件研究的重要途径;提出了热电器件研究中存在的问题,讨论了热电器件的发展思路.

碱金属热电转换器的电极效率

该文计算了碱金属热电转换器在不同的工作温度和不同BASE面电阻下当输出最大电极功率密度时的电极效率 ,推导出了在给定工作温度和BASE面电阻时取得最大电极效率的条件 ,并计算了最大电极效率点和最大电极效率 ,对在给定工作温度下BASE面电阻和单位面积电极表面的热辐射量对最大电极效率及其工作点位置的影响从理论上进行了推导。

半导体热电转换单元发电性能的变物性计算模型

为实现半导体热电转换单元发电性能参数的计算,在分析已有的常物性计算模型的基础上,提出了全新的变物性计算模型,该模型包括半导体颗粒温度场分布的求解、材料特性参数的计算和发电性能参数的计算3个部分.在不同工作条件下,分别利用常、变物性计算模型进行发电性能参数的计算,并将计算结果与ANSYS有限元仿真结果进行对比.结果表明变物性计算模型能够较大程度地减少误差,是对常物性计算模型的有效改进.

内置式强化热电直接转换系统的建模与数值分析

建立了适用于工程分析的热电直接转换系统模型,给出了内置式强化温差发电器的结构和数学描述,对发电器通道内的对流换热和阻力特性进行了数值计算,得出了对流换热系数、温度和压力的变化趋势,并与外置式温差发电器的换热特性进行了比较.数值分析表明:内置转换元件可以有效地增大换热面积和对流换热系数,改变元件的截面形状可以得到较低的流通阻力和压降,使温差发电器的热电转换性能得以强化.

碱金属热电转换器(AMTEC)的研究进展

简介AMTEC的工作原理和性能特点 ,重点综述了国内外AMTEC的研究状况 。

SiGe合金材料热电转换效应的应用和研究进展

半导体材料的热电效应在发电方面有着巨大的应用潜力,但如何提高材料的热电转换效 率是目前人们研究探讨的热点问题.SiGe 材料的热电转换最大优值 = 1,实际应用中仅能达到 0.68.论述了目前提高材料温差电优值( )的主要途径,重点介绍了 SiGe 合金作为热电转换材料的主要特点,在热电应用中当前的主要研究成果.

利用汽车尾气余热温差的热电转换技术

介绍了利用温差进行发电的原理、热电材料、温差发电装置结构等。重点探讨了汽车发动机尾气余热温差发电装置设计开发的具体步骤。该技术节约能源,绿色环保,应用前景广阔。

PZT与TeBi半导体材料热电转换特性的对比分析

选取PZT热释电陶瓷和TeBi半导体作为实验材料,对二者的热电转换特性进行了对比研究。采用恒热流和调频热流两种加热方式对热释电陶瓷和半导体发电片进行加热,使其进行热电直接转换。实验结果表明,PZT热释电陶瓷在调频热流作用下热电转换效果较好,其最优转换频率在0.1Hz左右,热释电陶瓷所发出的电能为交流电,且表现出大电压、小电流的特点;TeBi半导体在恒热流作用下热电转换效果较好,其所发出的电能为直流电,表现出小电压、大电流的特点。

冷源结构对汽车尾气热电转换装置性能的影响

为了最大化建立汽车尾气热电转换装置的温差,在相同热源条件下通过测试整体式、单列式和独立式3种冷源结构下不同发动机负荷时的开路电压和最大输出功率,分析了3种冷源结构对系统输出性能的影响.结果表明:优化冷源结构可以明显提高汽车尾气热电转换装置的性能;独立式冷源结构的效果最好,单列式其次,整体式最差;单个热电器件的冷面采用独立式的小型化冷源结构可以保证它们之间有更好的接触和更大的温差.