集成热电转换功能的新型热防护系统设计与分析

摘要

集成热电转换功能的热防护系统可将梯度热能转换为电能储存并利用，以减少机载电源系统的携带，可为未来高速飞行器的电能供给提供有效方案。可在一定程度上承受环境和利用环境，具有防隔热、承力和热电转换功能，结构效能高，是热防护系统未来发展的重要方向之一。
　　本文首先针对单个Bi2Te3热电PN结进行数值模拟，明晰了热电转换过程中通过Seebeck效应与Peltier效应将热物理场与电物理场耦合，推导了热电转换控制方程及输出功率、转换效率表达式，重点分析了温差、结构尺寸、负载电阻等对其开路电压、输出功率、转换效率的影响。利用Bi2Te3温差发电片设计热电转换验证实验，对比了实验与模拟所得开路电压，结果表明热电转换数值模拟具有一定准确性。设计了热电嵌入式热防护系统，将热电功能结构贯通嵌入在热防护系统隔热框架中。根据其特征需求优选材料，其中热电功能结构的冷端利用相变材料进行温控。为进行整体系统性能分析，先通过数值模拟方法分析了相变材料等效热物性，并利用实验验证了等效热物性的正确性。为提高热电功能结构转换效率，充分利用热电材料性能，采用多级分段式结构设计热电PN结，选用了AgPb18SbTe20、PbTe、(Pb0.95Sn0.05Te)0.92(PbS)0.08、Zn4Sb3、Bi2Te3等6种适用于不同温度下的高性能热电材料，以对称尺寸开展整体热电耦合分析，考察了结构的比功率、质量比功率等。针对热电嵌入式热防护系统开展结构效能优化分析，同时兼顾发电效果与整体重量两方面性能。结果表明，优化后的热电嵌入式热防护系统，其质量比功率得到了明显提高。设计了热电层合式热防护系统，将热电功能结构层合于隔热材料与相变材料之间，分析了不同隔热、相变材料厚度对于热电层合式热防护系统性能的影响，建立热电耦合、热力耦合性能分析方法并得到结构整体响应。综合当前的材料、工艺基础与试验能力，制备并加工热防护系统组合样件，采用燃气加热平台，完成典型环境下防隔热性能测试并考察热电性能，验证概念设计原理。对比了热电嵌入式与热电层合式热防护系统，前者质量比功率较后者高出两个数量级，具有更优热电性能。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 新型热防护系统研究现状

1.3 热电功能材料与结构研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 热电转换性能分析

2.1 引言

2.2 集成热电转换功能的热防护系统

2.3 热电转换数值分析

2.4 热电转换验证实验

2.5 本章小结

第3章 热电嵌入式热防护系统设计与分析

3.1 引言

3.2 热电嵌入式热防护系统

3.3 相变材料性质分析

3.4 热电嵌入式热防护系统性能分析

3.5 本章小结

第4章 热电层合式热防护系统设计与分析

4.1 引言

4.2 热电层合式热防护系统

4.3 热电层合式热防护系统性能分析

4.4 热电层合式热防护系统验证实验

4.5 对比与评价

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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