动态非均匀热流密度下热电器件的热-应力-发电性能研究

摘要

温差发电技术作为一种新能源技术，各方面的理论研究和应用已开展了近一个世纪，可以作为缓解能源危机的有效手段；同时，由于温差发电技术具有无噪音，无介质泄漏、零排放的优点，决定了其对环境的友好。此外，温差发电器还具有移动方便、使用寿命长、维护成本低、重量轻、无磨损、体积小等优点，故近年来已引起广泛关注。
　　本论文主要建立热电发电器的热-电-应力耦合模型，分析了热电发电器在不同工况下的电能输出和应力特性，同时分析了对热电器件电能输出和应力分布特性的影响因素。
　　首先建立热电器件的传热-发电-应力耦合数学模型，分析了热电材料物性参数随温度变化对输出特性的影响，热辐射对输出特性的影响。然后分析了非均匀热流密度对输出特性的影响，基于相同热流量下分析不同的热流集中度的影响。通过选取模块不同的横截面可以看到在非均匀热流密度下模块内部的温度云图，进一步分析非均匀热流密度对其效率产生影响的原因。研究了热电器件的启停特性。研究稳态输出特性后又研究了其非稳态输出特性，观察了物性参数、热辐射对温度和输出电压影响的过程，同时对比非均匀热流密度的施加方式，高斯热流密度和非均匀热流密度。
　　其次研究了热电器件的热应力结果，从热应力模拟结果云图可得到该模块热应力最大节点，结果表明模块最大热应力节点在铜板和热电材料接触直角处，追踪该节点进行非稳态分析，得到从开始到稳态过程该节点热应力变化。通过选取模块内的一系列截面，得到模块热应力形成过程以及最有可能发生热应力破坏的区域，观察其热应变云图和位移云图。同时还通过非稳态分析的云图结果得到其热应力形成过程。然后研究了铜板厚度和聚热层厚度对热应力大小的影响，以及对发电稳定性，应力稳定性的影响，以及热流密度，温度和热应力之间的相位关系。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 温差发电技术的发展史

1.3 温差发电技术国内外研究以及应用情况

1.4 温差发电关键理论

1.5 温差发电材料概述

2 热电器件传热-应力-发电耦合数学模型

2.1 物理模型

2.2 数学模型

2.3 边界条件

2.4 网格无关性检查

3热电器件的传热和发电特性

3.1 均匀热流密度下物性参数对热电性能的影响

3.2 均匀热流密度下热辐射对热电性能的影响

3.3 非均匀热流密度对输出特性的影响

3.4 热电器件启停特性分析

3.5 三角函数各个参数对其影响

3.6 本章小结

4 热电器件的热应力和发电性能

4.1 模块最大热应力节点的确定

4.2 物性参数变化对热应力的影响

4.3 辐射换热对热应力的影响

4.4 聚热层厚度对热应力的影响

4.5 铜板厚度对热电模块热应力的影响

4.6 聚热层和铜板层厚度对发电的影响

4.7 本章小结

5 总结与展望

5.1本文总结

5.2研究展望

致谢

参考文献

附录1 作者攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 作者攻读硕士学位期间参与的科研项目