低温差下半导体温差发电器设计与性能研究

摘要

本文从非平衡热力学的角度出发，系统的阐述了半导体温差发电的基本原理。通过现有的温差电理论，建立起单层多电偶发电器在低温差下稳定工作的模型，研究了其在内部结构和外部换热条件变化情况下的运行规律，并和实验相比较，探索和总结能提高发电效率的途径。 在理论分析方面，主要作了以下工作： 1.针对热电材料优值系数达到一定值后会随温度下降的现象，提出了半导体极性弱化的假设，得到了有关温差电势更一般的计算式。 2.建立了稳定情况下半导体元件的一维传热模型，结果表明在温度梯度和输出电流较小的情况下，n型元件和p型元件内部温度场都近似呈线性分布。 3.在外部换热条件方面，通过模拟得出高温侧的换热条件比低温侧对发电器的影响更重要这一结论。 4.在内部结构优化方面，指出了Gao和D.M.Rowe等计算模型中的不足之处，得到了能更精确地计算发电器输出功率和发电效率的公式。 在有关的实验研究中，工作内容主要包括： 1.设计并搭建了低温差下发电的试验台，在该试验台上完成了多工况下不同温差的发电器性能研究，得到了可靠的实验数据。 2.通过引入不可逆因子，使实验数据很好地符合了传统温差发电器输出功率的计算方程。 3.按发电模块两端温差和半导体元件两端温差两种条件，给出了不同工况下发电器工作性能的变化曲线。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表

声明

第一章引言

1.1半导体温差发电技术的历史回顾

1.2半导体温差发电的研究现状和发展动态

1.3课题研究的来源及意义

第二章热电效应的基本规律

2.1各种热电效应

2.2各种热电效应的相互关系

2.2.1开尔文第一关系式

2.2.2开尔文第二关系式

小结

第三章半导体温差发电的工作原理

3.1塞贝克效应的应用

3.2半导体温差发电器的主要性能参数

3.2.1发电效率

3.2.2输出功率

3.3高温下低温差电势产生的微观机理初探

3.3.1电偶臂两端不存在温差

3.3.2电偶臂两端存在温差

小结

第四章温差发电过程的传热分析

4.1传热基本方程模型的建立

4.2温度场分布的简化解

4.2.1元件侧面绝热处理，保留汤姆逊热

4.2.2元件侧面绝热处理，忽略汤姆逊热

第五章实验研究分析

5.1试验台的设计

5.1.1实验测量的参数

5.1.2试验台的设计和布置

5.1.3温度数据采集设备

5.2测量方法

5.2.1温度的测量

5.2.2模块几何尺寸和物性参数的选取

5.3实验数据分析

5.3.1实验公式的整理

5.3.2实验数据处理

5.3.3实验图形分析

小结

第六章低温差下发电器的设计和性能分析

6.1发电器外侧换热条件的优化分析

6.1.1温差发电器的理论计算式

6.1.2温差发电器的性能分析

6.2发电器内部结构优化分析

6.2.1考虑接触效应影响后的发电器性能计算式

6.2.2考虑接触效应影响后的发电器性能变化曲线

小结

第七章结论与展望

7.1工作内容总结

7.2对温差发电的进一步探讨和展望

参考文献

附录开尔文关系式的推导

致谢