摘 要

热电功能结构嵌入高超声速飞行器外部热防护系统中，能将飞行器外部的气动热载荷转化为电能，具有“零体积”、“零重量”的电能供应优势。本文以方钴矿基热电功能结构为研究对象，研究强热流冲击下（100-300kW/m²）方钴矿基热电功能结构的热防护、热匹配及电能供应的优化匹配问题，建立方钴矿基热电功能结构热发电效能瞬态耦合分析模型，考虑材料热表面辐射、冷端相变温控、外部热流载荷、热电功能结构的结构尺寸、框架材料热电参数等因素对发电效能的影响。研究结果表明，在高空高速气动热环境作用下，通过对热电功能结构组成材料与结构几何尺寸的设计，能够实现热电功能结构持续工作1000s以上，每平方米最大发电量达到160kJ，展现出优异的使用性能潜力。

关键词：热电功能结构；高超声速飞行器；发电效能；热电模拟

Abstract

The thermoelectric functional structure embed in external thermal protection system of the hypersonic aircraft can convert external aerodynamic heat into electricity, with advantages of small volume and light weight. This paper presents a skutterudite-based thermoelectric functional structure. And a transient thermoelectric simulation model of the structure was established for discussing the problems of thermal protection, thermal match and optimization match of power supply when the skutterudite-based thermoelectric functional structure works in a service environment with severe heat flux(100-300kW/m²) condition and researching the influence of several factors, such as the material surface radiation heat, the phrase-transition temperature, the external heat flux loads, the structure size and the thermoelectric parameters of frame materials, on the power generation capacity. The results show that the aim can be achieved that the thermoelectric functional structure can operate continuously more than 1000s and the generated energy per square meter can be greater than 160kJ under the action of hypersonic environment by designing the material compositions and structure size, which shows excellent performance potential of usage.

Key words: thermoelectric functional structure; hypersonic aircraft; power generation capacity; thermoelectric simulation

目 录

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外关于热电功能结构的研究现状

1.3研究内容和目标

第2章 热电功能结构的理论依据与计算模型

2.1 塞贝克效应

2.2热电功能结构的热电参数的计算公式

2.3热电功能结构的计算模型

2.4 热电功能结构的边界条件模拟

2.5本章小结

第3章 热电功能结构组成材料的几何尺寸对其热电性能的影响分析

3.1 相变材料的厚度对热电材料温度场与发电性能的影响

3.2热电材料厚度对热电材料温度场与发电性能的影响

3.3 铸铝材料的厚度对热电材料温度场与发电性能的影响

3.5本章小结

第4章 热电功能结构的材料参数变化对其热电性能的影响分析

4.1相变材料的相变温度对热电材料温度场与发电性能的影响

4.2框架隔热材料（低密度陶瓷）的热导率对热电材料温度场与发电性能的影响.....

4.3本章小结

第5章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

随着现代科技的飞速发展，各种能源资源的利用率达到最大值，因此造成了能源资源短缺的世界性严重问题，同时，由于各种能源资源的大规模使用所造成的环境污染问题更是引起了全体人类的关注。我国作为一个发展中的国家，大力进行工业发展是无法避免的发展趋势，也因此我国正面临着严峻的资源短缺与环境污染问题。我国人均能源资源严重不足，已探明的石油、天然气等能源开发难度大，且无法满足日益增长的需求。同时，我国利用能源的技术比较落后，因此我国利用能源的效率与发达国家相比是比较低的。开发新能源以及提升能源利用率成为解决能源危机的有效手段，但同时也要减少使用能源过程中所造成的环境污染。

目前，除了已经大力开发与应用的太阳能、风能、核能等新型能源外，最有发展前景的能源技术为热电发电技术。热电发电技术是一种新型、环保、发展潜力强的能将热能转化成电能的技术，其核心是利用热电材料等材料制成的热电功能结构。热电材料能利用塞贝克效应，将热能直接转化成电能，由其制成的热电功能结构没有移动的小部件，同时具有高稳定性与可靠性，且工作寿命长，最重要的是对环境不产生任何污染，这些优势使得热电功能结构在能源领域已经吸引了大量的注意，并可望被广泛应用于大量而分布较散的低能量密度的热源处,如深空探测、太阳能、汽车尾气、工业余热等领域^[1]。

热电功能结构嵌入高超声速飞行器外部热防护系统中，能将飞行器外部的气动热载荷转化为电能，具有“零体积”、“零重量”的电能供应优势。热电功能结构是决定高超声速飞行器外部热防护系统能量转换效率的关键部件，其在典型工况强热流冲击下的稳定性与可靠性是系统能否持续供电的前提条件。热电功能结构在高超声速飞行器外部热防护系统中的服役环境十分苛刻，与太阳能发电和工业余热发电等准静态、低热流密度（10-50 kW/m²）应用环境有显著差别，热流载荷长期处于百千瓦/平方米量级、甚至瞬时达到兆瓦/平方米量级。

本文以方钴矿基热电功能结构为研究对象，研究强热流冲击下（100-300kW/m²）方钴矿基热电功能结构的热防护、热匹配及电能供应的优化匹配问题，建立方钴矿基热电功能结构热发电效能瞬态耦合分析模型，考虑材料热表面辐射、冷端相变温控、外部热流载荷、热电功能结构的结构尺寸、框架材料热电参数等因素对发电效能的影响，对开发高效热电功能结构具有重要意义。