寬溫域熱電器件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、熱電器件是一種能直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能的裝置,因其具有可靠性高、無傳動元件、無環(huán)境污染、壽命長等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)廢熱余熱、地?zé)?、太陽能等的利用及空間電源方面具有廣闊的應(yīng)用前景。熱電器件設(shè)計(jì)理論與方法的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重要問題之一。
　　論文首先針對目前熱電器件設(shè)計(jì)中常用的常物性模型只在小溫差條件下才能夠精確計(jì)算熱電器件發(fā)電性能的問題,從基本熱電耦合微分方程出發(fā),采用有限單元法理論,建立了一個(gè)可以在寬溫域范圍內(nèi)預(yù)測熱電器件發(fā)電性

2、能的變物性計(jì)算模型,并采用迭代算法通過編制計(jì)算程序進(jìn)行了理論計(jì)算,理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,結(jié)果表明變物性模型可以精確計(jì)算寬溫域熱電器件的發(fā)電性能,可用于指導(dǎo)寬溫域熱電器件的設(shè)計(jì)。為了克服單一熱電材料最佳性能工作溫區(qū)有限,熱電轉(zhuǎn)換效率低的問題,寬溫域熱電器件通常采用兩種或多種不同的熱電材料連接制成級聯(lián)(多段)結(jié)構(gòu)。由于熱電臂采用了多段結(jié)構(gòu),使得寬溫域級聯(lián)熱電器件的設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜。
　　論文基于變物性模型,以質(zhì)量比發(fā)電功率為目標(biāo),采

3、用鮑威爾優(yōu)化方法,對級聯(lián)熱電器件電偶臂各段熱電材料的長度和橫截面積等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果表明:本文優(yōu)化后的熱電器件質(zhì)量比發(fā)電功率比由傳統(tǒng)的ZT曲線或CP曲線設(shè)計(jì)的熱電器件分別提高了8.0％和11.5％。最后,本文研究了優(yōu)化設(shè)計(jì)的寬溫域熱電器件在聚光太陽能熱電系統(tǒng)中的應(yīng)用,預(yù)測了采用由目前文獻(xiàn)中報(bào)道的性能較高、被認(rèn)為具有應(yīng)用前景的熱電材料制備的單一材料熱電器件和寬溫域熱電器件的聚光太陽能熱電系統(tǒng)的理論發(fā)電效率。采用經(jīng)優(yōu)化設(shè)