摘 要

热电发电与热电制冷是利用半导体材料的热电特性，实现热能和电能相互直接转换。热电器件是热电发电的基本单元,其转换效率受诸多因素影响。构成热电器件的热电材料性能是最主要的影响因素。目前主流热电材料都只能在较窄的温度区间内具有较高的转换效率，受此影响，热电器件在实际应用转换效率仍然很低，无法适应宽温域的工作环境。双段或多段热电偶臂组成的热电器件可以较好的解决这一问题。

本文以n型双段热电偶臂作为研究对象。在低温区采用Bi2Te3(室温-200℃)材料，在中温区采用CoSb3(200-500℃)材料；在最大效率与最大功率条件下,对其进行性能匹配。通过改变组成热电偶臂的热电材料的长度比，并在每段长度比下改变负载电阻值，得出此长度比下的最大转换效率。进而分析在300K~800K温度区域内不同臂长条件下热电偶臂的输出性能和最大转化效率，得到在保证其效率或输出功率最大时,臂长与转换效率η和输出功率Ρ以及界面温度T_j的关系曲线。同时得到每段长度比下最大效率与最大功率所对应的负载电阻，以此得出n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂负载电阻匹配结果。结论如下。

利用ZT值曲线交点法对对n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂长度与界面温度进行了理论优化，即热电单元匹配。研究了最佳界面温度、最佳长度比和该材料构成n型热电臂最大输出功率。优化结果为最佳界面温度为500K，最佳长度比L₁:L₂=4.3:10。此时内阻R_mean=0.016Ω。在300-800K温度范围内时最大输出功率=0.0931W。

利用ANSYS有限元软件研究了构成n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂的最佳结构几何尺寸,以及负载电阻匹配，并建立了有限元分析模型。利用有限元软件得出在最大效率条件下的n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂的性能匹配结果为最佳长度比L₁:L₂=0.45，此时的转换效率为12.4%，界面温度为512.9K，输出功率为0.0901W，回路电流为2.02A，负载电阻为0.022Ω。

关键词：热电发电；热电器件；双段热电偶臂；性能匹配

Abstract

Thermoelectric power generation and thermoelectric refrigeration is the use of semiconductor materials, thermoelectric properties, thermal and electrical energy to achieve direct conversion. Thermoelectric devices are the basic unit of thermoelectric power generation, and their conversion efficiency is affected by many factors. Thermoelectric materials that constitute thermoelectric devices are the most important influencing factors. At present, the mainstream thermoelectric materials can only have higher conversion efficiency in the narrow temperature range. Affected by this, the conversion efficiency of the thermoelectric device in the practical application is still very low and can not adapt to the working environment in the wide temperature field. Two or more thermocouple arm composed of hot single device can better solve this problem.

In this paper, n-type two-stage thermocouple arm as the research object. In the low temperature region, Bi2Te3 (room temperature -200°C) was used. In the middle temperature region,CoSb3(200-500°C) was used. The theoretical model and finite element simulation were used to establish the n-type Bi2Te3/CoSb3 double-stage thermocouple Analysis model. Based on the principle of maximum conversion efficiency of the device, the optimal length ratio of the thermoelectric materials in the n-type Bi2Te3/CoSb3 thermocouple was calculated and the optimum interfacial temperature was analyzed. The change of the length of the thermoelectric material was analyzed for the n-type Bi2Te3/CoSb3 two-stage thermocouple Efficiency and output power, the conclusions are as follows.

The ZT value curve intersection method is used to optimize the length and interface temperature of n-type Bi2Te3/CoSb3 two - stage thermocouple arm.The optimum interface temperature, the optimum length ratio and the material to form the maximum output power of the n-type thermoelectric boom were studied. The optimum results are optimal interface temperature 500K, the optimum length ratio = 4.3: 10. At this time the internal resistance Rmean = 0.016Ω. In the 300-800K temperature range when the maximum output power =0.0931W

The optimal structural geometries of n-type Bi2Te3/CoSb3 two-stage thermocouple arms were studied by ANSYS finite element software.The finite element analysis model was established.The finite element software was used to obtain the n-type Bi2Te3/CoSb3. The performance of the two-stage thermocouple arm is the best length ratio = 0.45,the conversion efficiency is 12.4%, the interface temperature is 512.9K, the output power is 0.0901W, the loop current is 2.02A,the load resistance is 0.022Ω.

Key words：Thermoelectric power generation;thermoelectric device;two-stage thermocouple arm; performance matching

目 录

摘 要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1课题背景 1

1.2论文意义 2

1.3研究现状 2

1.4本文工作 4

2 热点发电的相关理论基础 6

2.1热电效应 6

2.1.1赛贝克效应 6

2.1.2帕尔帖效应 7

2.1.3汤姆逊效应 7

2.1.4热平衡方程 8

2.1.5热传导微分方程 9

2.2热电器件(TEG)工作原理 10

2.3热电优值及器件的热电转换效率 11

2.4影响热电性能的因素 12

2.4.1塞贝克系数 12

2.4.2电导率 13

2.4.3热导率 13

2.5双段热电偶臂的优化设计的理论模型 14

3 n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂的理论设计 18

3.1 n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂界面温度的设计 18

3.1.1界面温度的设计原则 18

3.1.2两种n型单相均质材料的性能参数与温度的关系 18

3.1.3 n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂的最佳界面温度 19

3.2 n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂的长度比优化 20

3.2.1 n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂长度比的设计原则 20

3.2.2 n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂长度比的优化 21

3.3 n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂的性能 22

3.3.1 n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂最大功率模型 22

3.3.2 n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂的内阻计算 22

3.3.3 n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂的平均Seebeck系数计算 24

3.3.4 n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂的最大输出功率 25

4.n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂性能匹配 26

4.1有限元分析控制方程 26

4.2双段热电偶臂的优化设计的有限元模型 27

4.2.1建立分析模型 27

4.2.2材料参数及边界条件 28

4.3 n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂性能匹配 29

4.3.1最大效率条件下n型Bi2Te3/CoSb3双段热电偶臂性能匹配 29

4.3.2材料长度比对输出功率、转换效率、输出电流及界面温度的影响 38

4.4本章小结 40

5.结论与展望 42

参考文献 44

致 谢 46

1绪论

1.1课题背景

伴随人类文明的进步，人对能源的开发利用走过了由原始时期到近现代的薪柴、煤炭、油气时期，以及到目前的电器时期这一系列的变化过程。对能源的不断开发有力的支撑了人类社会文明与经济的高速发展。从煤炭时代以来，人类对能源的利用长期以化石类能源为主。全球化石能源虽储量巨大，但经过数百年的掠夺式开采和不节制使用，正面临资源即将枯竭和日益严重的环境污染问题。受到世界人口总数增加和全球工业化及城镇化的影响，近年全球能源消耗总量和人均消耗消耗量不断的上升。一次能源消耗量由5.38×10¹⁰t标准煤增长到了1.819×10¹¹t标准煤，近几十年增长了2.4倍。亚洲逐渐成一次能源消费量最高和增速最快的区域。截止2014年，全球的煤炭、石油、天然气的探明剩余储量分别为8.931×10¹²t、2.379×10¹²t、1.87×10¹⁵m³。折算标准煤碳共约1.2×10¹³t。按照目前的开采强度，煤炭、石油和天然气剩余可开采年限分别为112年、52年、和54年。

与此同时，在发达、富裕、繁荣的背后也留下了环境污染的严重后果。全球范围内越来越严重的环境污染问题和资源枯竭严重地制约了人类经济社会的进步发展，破坏了子孙后代赖以生存的自然环境。众所周知，越来越多的国家和人口受到由传统化石能源燃烧排放物（氮氧化物、硫化物）导致的酸雨的危害；而已在南北两极上空发现臭氧层空洞也极有可能是氯氟烃等化学物质的大量排放所导致；空气中的CO₂浓度在不断升高，进而形成温室效应可导致气候异常变化；气候异常带来的危害正在变得越来越不可忽视，在其影响下，自然灾害正发生的越来越频繁，越来越剧烈，影响范围越来越广。毫无节制的开发地表植被导致的沙漠化正侵蚀人类和动物们赖以生存的地盘；大规模环境污染事故给人类带来的伤害触目惊心。