摘 要

热电发电作为一种污染极少、高效率、设备简易的技术，能够将热能、汽车废热等能量转换为电能，就人类的长期发展来看，这项技术能减轻地球日益严重的环境问题，在航天、汽车、高新科技等领域有非常好的前景。但是此项技术因为没有较高的热电效率和昂贵的热电材料等问题，一直未在各个领域得到应用。本文将从热电器件的研究现状入手，详细介绍了热电发电的原理，以及传热学的三种基本传递方式，在此基础上研究热电器件的内部传热特性。

首先使用COMSOL软件建立自然对流模型，即模型里只有空气而无热电材料，

对该模型进行分析，由COMSOL软件模拟出通过空气面的实际热通量，再利用有限空间水平夹层自然对流传热现有公式求解理论热通量，将两种热通量列入表中进行对比，如果相等就说明该模型的正确性，可以进行以下的工作。

其次在自然对流模型的基础上添加热电材料（）和铜材料，即热电器件实际模型。建立该模型的目的是通过改变热电材料的体积以及间距，研究不同非流动比（非空气区域体积与热电器件总体积之比）的情况下热通量的变化趋势，从而确定选取合适的热电材料和一定的间隙使热电器件达到最小的热损失，提高热电效率。

最后建立带有保温层的热电器件，模拟出热通量并与无保温层热电器件的热通量比较，研究保温层对热损失的影响。

关键词：热电器件；热电发电；自然对流传热；

ABSTRACT

Thermoelectric power generation, as a technology with little pollution, high efficiency and simple equipment, can convert heat energy, automobile waste heat and other energy into electricity. In the long-term development of human beings, this technology can alleviate the increasingly serious environmental problems of the earth, and has very good prospects in the fields of aerospace, automobile, high-tech and so on. However, this technology has not been applied in various fields because of the lack of high thermoelectric efficiency and expensive thermoelectric materials. In this paper, the principle of thermoelectric power generation and three basic transfer modes of heat transfer are introduced in detail, based on which the internal heat transfer characteristics of thermoelectric devices are studied.

Firstly, the natural convection model is built by COMSOL software, that is, there is only air but no thermoelectric material in the model. The model is analyzed. The actual heat flux through the air surface is simulated by COMSOL software. Then the theoretical heat flux is solved by using the existing formula of natural convection heat transfer in horizontal sandwiches in limited space. The two heat fluxes are listed in the table and compared. If they are equal, the correctness of the model is illustrated. The following work can be done.

Secondly, on the basis of natural convection model, thermoelectric materials () and copper materials are added, that is, the actual model of thermoelectric devices. The purpose of this model is to study the change trend of heat flux under different non-flow ratios (the ratio of volume in non-air area to total volume of thermoelectric devices) by changing the volume and spacing of thermoelectric materials, so as to determine the appropriate thermoelectric materials and a certain gap to minimize the heat loss of thermoelectric devices and improve the thermoelectric efficiency.

Finally, a thermoelectric device with thermal insulation layer is established to simulate the heat flux and compare it with the heat flux of the thermoelectric device without thermal insulation layer, and the effect of thermal insulation layer on heat loss is studied.

Keywords: Thermoelectric devices; Thermoelectric power generation; Natural convection heat transfer

目 录

摘 要............................................................................................................................................Ⅰ

Abstract......................................................................................................................................Ⅱ

第 1 章 引言………………………………………………………………………………………………….................………..1

• 1. 研究背景与意义…………………………………………………………………………………….................….2
  2. 国内外研究现状………………………………………………………………………….………….................…3
  3. 研究内容与方法…………………………………………………………………………………….….................4

第2章 热电发电的原理…………………………………………………………………………………………..................5

2.1热电基本原理……………………………………………………………………………………………...................6

2.1.1塞贝克效应…………………………………………………………………………………………...................7

2.1.2帕尔帖效应………………………………………………………………………………………..................….8

2.1.3汤姆逊效应………………………………………………………………………………………..................….9

2.2热电材料性能参数……………………………………………………………………………….................……10

2.2.1塞贝克系数………………………………………………………………………………………...................11

2.2.2电导率…………………………………………………………………………………………….................…..12

2.2.3热导率………………………………………………………………………………………………...................13

2.3传热学基本原理…………………………………………………………………………………...................…..15

2.3.1热传导…………………………………………………………………………………………….................…..16

2.3.2热对流…………………………………………………………………………………………..…….................17

2.3.3热辐射…………………………………………………………………………………….....……....................18

2.4有限空间自然对流……………………………………………………………………….....…...................….18

2.4.1垂直夹层……………………………………………………………………….....…….............................18

2.4.2水平夹层..................................................................................................................18

第3章 热电器件内部结构对自然对流传热的影响………………………………………….................…..19

3.1理论验证………………………………………………………………………………………………..….................20

3.1.1对流传热模型………………………………………………………………………………….................….21

3.1.2理论值与模拟值比较………………………………………………………………………….................23

3.2非流动比对自然对流传热的影响…………………………………………………………..................…24

3.2.1实际模型……………………………………………………………………………………….................…….25

3.2.2非流动比对自然对流传热的影响………………………………………………..................…….26

3.3环境因素对自然对流传热的影响………………………………………………………..................…28

3.3.1传热温度对自然对流传热的影响……………………………...……………….…..................…29

3.3.2带保温层的模型…………………………………..……………………………………………..................30

第4章 结论……………………………………………………………………………………………………..................…….32

4.1研究结论…………………………………………………………………………………………………...................…33

4.2研究展望…………………………………………………………………………………………………..................….34

参考文献…………………………………………………………………..…………………………………………....................35

致 谢…………………………………………………………………………………………………………….....................…..36

1. 引言

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

21世纪以来，随着煤炭、天然气等不可再生能源的日益消耗以及工业上大规模的使用石油能源，人口急剧增长和大量城镇化等因素，全球现正面临能源殆尽、环境严重污染，人类生活受到威胁等问题^[1]。目前为止，热电发电技术因其高稳定性、高效率性、高安全性而备受全球关注，该技术能够利用系统存在温差条件将热能和电能转换，是热量回收的重要方式。由于热电器件具有结构紧凑、无污染、重量轻便等特点，在汽车、航空航天、军事等领域有着非常广阔的前景^[2]。

在1820年，德国物理学家塞贝克通过两根金属线发现了电与热的关系，即闭合回路里只要将一个结点加热，回路里就会产生恒定电流。但是当时由于技术落后，他把这一现象的原因归于金属的磁化，而非产生了电流。1833年，英国科学家帕尔帖通过实验发现了与塞贝克效应相反的一种现象，在两根金属线组成的闭合回路里，当有电流流经其中一个结点时，此结点周围的温度会增大或减小即吸热或放热现象。1855年，英国物理学家威廉.汤姆逊在前人的基础上，对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了分析和总结，他认为这两种效应存在着某一种联系，即塞贝克系数和帕尔帖系数成比例关系。此外，他通过实验发现了当电流流过导体时，会产生吸热或放热现象，这就是汤姆逊效应。在热电三种效应被完全发现后，人们对热电发电技术才有了全新的认识。

寻找塞贝克系数更高的热电材料是早期热电技术得不到迅速发展的主要原因，由于当时的热电材料普遍为金属材料，塞贝克系数都相对较低，热电效率得不到最大化^[3]，科学家们认为已无性能较好的热电材料，因此在热电效应被发现之后的八十多年此项技术一直难以前进。在1930年左右，人们终于找到了塞贝克系数更高的半导体材料，热电技术重新回到了研究者的视线。

一般用热电优值（）来评价热电性能的好坏，它由热电材料的塞贝克系数、热导率、电导率决定，值大小超过1的热电材料性能会更优越。20世纪中期，热电技术被用到美国航空火箭上，这一消息无疑使得热电发电技术开始应用于高端领域和进军其他领域的定心丸，此项技术还有极大的研究空间，能为汽车废热回收、太阳能合理运用等行业带来不可想象和不可预计的收益。但是在此之后，研究者们投入了大量的时间致力于热电材料的发掘，问题又接踵而至，在发现的新型材料中，几乎所有值都小于1，与传统发电技术相比热电发电技术的转换效率要高的许多，在增加热电材料成本的同时又提高不了热电发电效率。由于这一问题，热电发电技术的研究又陷入了困境^[4]。

提高热电器件的热电优值是热电发电技术的一大难题，科学界已出现寻找值超过1的热电材料浪潮。1960年，苏联研究者通过实验发现，单一的金属无法实现提高热电优值，但是经过多种半导体的合成物却可以实现攻破这一难题。这项发现为寻找新材料提供了极大的帮助。随后人们发现了复合材料以及，它们的热电优值都接近了1，是性能较好的热电材料；也是性能较好的热电材料，在高温时热电优值能达到1.4，已经基本达到了人们寻找高效率热电材料的条件。随着科技的进步，科学家们有更多手段和方法找到适宜的热电材料，通过不停的寻找，一种砷化物受到了研究者的关注，经过测量这种化合物的热电优值超过了1，并且相比其他化合物有更稳定的特点，具备充当高性能热电材料的条件。

热电材料的不断寻找为热电器件在工业上的应用打下了坚实的基础。但是，随着更多热电材料被发现，工业有更多的关于热电器件的要求，热电发电技术并不能完全投入到大规模的工业上。制作性能良好的热电设备并不能单一的考虑热电优值，而要将热电效率、热电材料成本结合起来，既要达到高的转换效率，还要不能花费太多的成本。

目前为止，制作热电设备的最大难关是提高热电器件的热电效率。其次是降低成本，热电设备的成本包括原材料的开发和加工，前期昂贵的成本花费是必不可少的，因此，要在热电材料加工模块降低成本，热电发电技术才能实现更多工业应用^[5]。

1.1.2研究意义

在最近几年，科学家一直在努力研究和开发热电材料，但是却基本实现不了现代工业的对热电发电技术要求，具体是较高的热电转换效率和较低的材料成本以及不能大规模生产等。本文将从热电发电机理入手，其次分析了热传导基本方式以及自然对流传热，在此基础上利用COMSOL软件建立热电器件模型，研究内部传热特性，以降低内部热传导过程中的热损失，提高热电效率。

1.2国内外研究现状

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