摘 要

温差热电偶构成的热电器件是将热能直接转换为电能的不会对环境造成污染的、堪称环保型的热电转换装置，同时由于这种固体型的能量转换方式具有体积小、重量轻、对环境无污染、使用过程中无磨损、无噪声且携带方便、使用寿命长等大量优点，在能源利用和余热回收方面显现出广阔的前景，随着能源的日益枯竭和大量能源的浪费带来的一系列问题，促使热电器件的设计和研究成为研究人员的关注热点。

本文首先简要介绍了一些温差发电的基本理论，介绍了热电材料的发展状况；衡量热电器件性能的重要参数主要有热电转换效率和输出功率，在热电理论的基础上推导了计算单段热电偶的性能参数的数学模型，并基于此对于单段热电偶性能的影响因素进行了分析。

由单一材料的最佳性能工作温区有限，且热电转换效率较低，为了解决此问题，我们提出了多种不同热电材料构成的双段热电偶臂结构，由于采用了双段结构，在较大的温差范围内，我们可以使构成双段热电偶的材料均尽可能的工作在其最佳性能温区，从而提高热电器件的热电转换效率和输出功率。我们基于单段热电偶的数学模型，推导了双段热电偶的性能参数计算模型，并对其影响因素进行了分析。并根据此模型进行ANSYS仿真分析，根据ANSYS仿真的结果，我们明确得知道，双段热电偶构成的热电器件的热电转换效率和输出功率明显优于单段热电偶。

我们还根据优值随温度的变化情况，确定了界面温度，从而确定双段热电偶臂的分段比例，进行了结构上的优化。

关键词：热电器件；多段；性能分析；优化设计

Abstract

Thermoelectric device composed of thermoelectric thermocouple is the pollution-free and environment-friendly thermoelectric conversion device which converts heat energy directly into electric energy, because the whole solid-state energy conversion method has many advantages, such as no noise, no abrasion, no pollution, small size, light weight, easy to carry, long service life, etc. With the wide prospect of energy utilization and waste heat recovery, the design and research of thermoelectric devices have become the focus of researchers because of the problems caused by the depletion of energy sources and the waste of large amounts of energy.

In this paper, the basic theory of thermoelectric power generation is introduced briefly, and the development status of Pyroelectric materials is introduced. The main parameters for measuring thermoelectric devices are thermoelectric conversion efficiency and output power, and based on the thermoelectric theory, a mathematical model for calculating the performance parameters of Single phase thermocouple is deduced, The influence factors of the performance of single-phase thermocouple are analyzed.

The best performance of a single material is limited in temperature area, and thermoelectric conversion efficiency is low, in order to solve this problem, we put forward a variety of thermoelectric materials composed of two-segment thermocouple arm structure, due to the use of two-stage structure, in a large temperature range, we can make the composition of the two-phase thermocouple in the best possible performance of the temperature zone To improve thermoelectric conversion efficiency and output power of thermoelectric devices. Based on the mathematical model of single thermocouple, the calculation model of performance parameters of two-stage thermocouple is deduced and the influencing factors are analyzed. According to the simulation results, we know that the thermoelectric conversion efficiency and output power of the thermoelectric devices composed of two-phase thermocouple are better than that of single-segment thermocouple.

We have used the idea of finite element to optimize the calculation model of two-stage thermocouple, the optimal model of the two-stage thermocouple is established, and the interface temperature is determined according to the variation of the optimal value with the temperature, so the sectional proportion of the two-segment thermocouple arm is determined and the structural optimization is carried out.

Key word：Thermoelectric device；Multisegment；Performance analysis；Optimized design

目录

摘要 I

关键词 I

Abstract II

目录 IV

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 研究现状及发展趋势 2

1.3 本文的主要研究内容 5

第2章 热电基本理论 6

2.1 热电转换基本理论 6

2.1.1 塞贝克效应 6

2.1.2 帕尔贴效应 7

2.1.3 汤姆逊效应 7

2.1.4 焦耳效应 8

2.2 热电材料物性参数 8

2.2.1 塞贝克系数 8

2.2.2 热电性能优值 9

2.3 单段热电偶 10

2.4 双段热电偶 12

2.5 本章小结 15

第3章 热电偶的性能分析模型 17

3.1 单段热电偶性能分析 17

3.1.1 热端温度对热电偶性能的影响 17

3.1.2 负载电阻对热电偶性能的影响 17

3.1.3 热电偶臂长度对性能的影响 18

3.2 双段热电偶性能分析模型 18

3.2.1 热端温度对双段热电偶性能的影响 18

3.2.2 热电偶臂长度对双段热电偶性能的影响 19

3.2.3 热电偶臂的横截面积对双段热电偶性能的影响 22

3.3 本章小结 24

第4章 热电偶的有限元模拟与优化 25

4.1 单段热电偶的有限元模拟与优化 25

4.1.1 单段P型热电偶的有限元模拟与优化 25

4.1.2 单段P-N型热电偶的有限元模拟与优化 26

4.2 双段热电偶的有限元模拟与优化 28

4.2.1 模型的建立 28

4.2.2 负载电阻的优化 28

4.2.3 分段比例的优化 29

4.3 本章小结 30

第5章 结论和展望 31

5.1 结论 31

5.2 展望 31

致谢 34

参考文献 35

绪论

课题背景

能源问题是21世纪各个国家所面临的的重大难题，加之能量转换效率低等问题造成能源大量的浪费，众所周知，汽车发动机中燃料燃烧产生的热中约有40%的热量随着汽车尾气的排放散失到空气中，随着汽车保有量的增加，这也是很大一部分能量浪费；同时随着各种工业废热的排放，一方面造成能源的大量浪费，另一方面对于环境和气候有着重大的影响。开发和利用绿色能源以及回收这些浪费了的能量是缓解该问题的主要途径。随着半导体材料和热电材料的发展，以及热电理论的逐步成熟，温差发电逐渐成为人们利用废热以及能量回收的主要方式，而今温差发电主要应用于航天和军事以及生活中。温差发电是一种绿色环保的能源利用技术，这种固体型的能量转换方式具有体积小、重量轻、对环境无污染、使用过程中无磨损、无噪声且携带方便、使用寿命长等大量优点，同时温差发电面临着一个很大的问题，就是温差发电的热电转换效率一般不超过14%，远低于普通发电机40%的转换效率^[1]，就此而言，想以温差发电来代替普通发电还为时尚早。现在的温差发电只能说在实用方面取得了一定的进展。

温差发电利用的主要是自然界中不会对环境造成污染的能源以及各种被浪费了的热能，所以它具有较佳的环保功能的同时还具有较好的社会经济效益。这是激励大量科学家为之努力研究的不竭动力。温差发电的主要问题是低热电转换效率，这限制了它的应用。热电器件的热电转换效率取决于热电材料优值ZT的值，并且通常，热电转换效率随着ZT的增加而增加。同时热电单元和模块的几何形状以及热侧和冷侧的传热条件都对性能有显著影响。所以想要要提高温差发电的效率，开发热电材料以提高热电性能是温差发电的一个研究方向，这一方面主要在于寻找高优值的材料，而近些年的发展表明，材料优值的提高是有限的，而另一个方向是优化热电单元和模块的设计以及增加热端和冷端的传热。尽管研究人员在开发新材料方面做出了巨大努力，但直接突破仍然困难重重。所以之前提到的基于目前可用材料的设计优化就变得非常重要。众所周知，目前可用的半导体材料都具有各自的有利工作温度范围，在此范围内就能够发挥出材料的最佳性能，但是在实际应用中，例如内燃机的废热回收，热端和冷端之间的温差范围很大，几乎没有单一的材料可以正常工作在这样大的温度范围内，所以分段设计是处理这个问题的有效方法，通过在传热方向上使用不同的材料来适应每种材料的最佳温度范围，从而适应过大的冷热端温差，同时能够使得每段材料工作在自己适宜的温差范围内，从而使得热电偶的性能得到提高。已经有报道说适当的分段设计与相应的单段相比可以显著提高热电偶的性能，总体来说，温差发电的应用前景还是十分光明的。