半导体温差发电器件的热力学分析

从稳态的热传导方程出发，对发电器件进行了热力学分析，建立了半导体温差发电器件的基本模型，推导出p型和n型半导体内部的温度分布函数及输出功率和发电效率的表达式，讨论了传统分析中经常忽略的汤姆逊热对发电性能的影响．结果表明，在低温及大温差工况下汤姆逊热对输出功率的影响不能忽略．     

半导体材料优值系数对热电堆发电循环效率的影响

从半导体能量微分方程出发,推导出半导体热电发电循环效率与材料优值系数ZT之间的关系,指出目前半导体热电发电循环效率较低的原因及提高途径,为今后提高半导体热电发电循环的性能奠定了基础。     

非简谐振动对半导体基外延石墨烯热电效应变化规律的影响

本文建立了半导体基外延石墨烯的物理模型，考虑原子的非简谐振动，研究了它的杂化势以及热电势随化学势和温度的变化规律，探讨了原子非简谐振动对热电效应的影响. 对硅基外延石墨烯热电势的研究结果表明：简谐近似下，杂化势与温度无关；只考虑到第一非简谐项，杂化势随温度升高而增大；同时考虑到第一、第二非简谐项，则杂化势随温度升高而减小. 在给定温度下，外延石墨烯的热电势随化学势的变化在化学势为 处不具左右对称性，且在化学势为 eV附近有突变；给定化学势时，外延石墨烯热电势与单层石墨烯相似，均随温度升高而非线性减小，但外延石墨烯的值大于单层石墨烯的值；与简谐近似相比，非简谐效应会减小外延石墨烯热电势的值但减小量很小. 非简谐效应对热电势的影响随温度的升高而缓慢增大，大小在0.23%~0.25%之间.     

半导体热电转换单元发电性能的变物性计算模型

为实现半导体热电转换单元发电性能参数的计算,在分析已有的常物性计算模型的基础上,提出了全新的变物性计算模型,该模型包括半导体颗粒温度场分布的求解、材料特性参数的计算和发电性能参数的计算3个部分.在不同工作条件下,分别利用常、变物性计算模型进行发电性能参数的计算,并将计算结果与ANSYS有限元仿真结果进行对比.结果表明变物性计算模型能够较大程度地减少误差,是对常物性计算模型的有效改进.     

新型碲化铋基温差发电系统数值及试验研究

采用新型碲化铋基合金热电材料,建立温差发电系统数学模型,基于类均温与热流体两类热源,进行有限元仿真分析,在Matlab/Simulink中建立包含最大功率跟踪控制的温差发电系统模型并进行电路仿真分析.通过仿真和试验分析了均温与热流两种热源下,基于新型碲化铋基合金材料的温差发电系统热电转化性能,结果表明:所建立的数学模型精度达到98.3%,提出的混合最大功率跟踪算法精度达到92.8%;在550 K恒温热源条件下,最高发电功率可达6.94 W;在热流温度550 K和质量流量40 g/s流体热源条件下,最高发电功率可达6.14 W.     

层状热电材料SrAl2Ge2的制备与性质研究

以Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ族元素为主的笼状物热电材料研究近年来发展迅速,尤其是在优值系数ZT值上取得了重大突破,而从Sr-Al-Ge笼状物体系中获得的层状结构热电材料却鲜有人关注.本研究利用铝元素作为助溶剂,在1150℃下成功合成了层状SrAl_2Ge_2单晶.采用X射线衍射仪对样品粉末进行表征,通过Rietveld精修证明该晶体具有CaAl_2Si_2结构(空间群为P3-m1,晶胞参数a=b=4.2339(1)?,c=7.4809(0)?).变温电阻率测试发现单晶样品沿c轴方向具有p型半导体行为,此外其在2～300 K低温下的比热(C_p)数据符合德拜模型.本研究结果对于开发新型无毒、高性能热电材料具有一定参考价值.     

Ca_3Co_4O_9陶瓷的合成及热电性能

以柠檬酸为络合剂,采用溶胶-凝胶法获得了Ca3Co4O9的纳米前驱体,用常压烧结法成功制备了Ca3Co4O9陶瓷.利用TGD-TA,XRD,SEM等方法研究了其显微结构和热电性能.结果表明,Ca3Co4O9陶瓷为取向无规则片状结构,属于P型半导体热电材料,其功率因子随温度的升高而增大,具有一定的热电性能.     

小型低温余热发电系统膨胀机输出特性试验研究

依据有机朗肯循环原理,采用R123作为循环工质、涡旋膨胀机作为能量回收机械,建立了小型低温余热发电试验系统,分析了相同热源入口温度和流量、不同工质流量的两种工况下膨胀机转速对系统性能的影响.结果表明:涡旋膨胀机的吸气压力和吸气温度随转速的增加而降低,排气压力和排气温度随转速的增加而增加;系统发电功率和系统热电效率随着转速的增加而降低;涡旋膨胀机的容积效率随着转速的增加而增加.两种工况下系统最大发电功率分别为0.66 kW和0.62kW,最大系统热电效率均为2.1%,容积效率变化范围分别为38.5%～56.5%和39.7%～60.0%.     

高优值P型(BiXSb1-X)2Te3热电材料的优化制备工艺

根据影响 P型 (Bi XSb1 - X) 2 Te3半导体热电材料优值系数的主要因素和大量实验结果 ,采用高纯原料、筛选配方、慢速区熔长晶及退火等优化工艺 ,在晶锭的相当长的范围内获得了晶体结构完整、热电性能均匀、优值系数高达 3.46的半导体热电材料     

Mg_3Sb_2基热电材料的研究进展

首次实现n型传导以来,无毒低成本Mg_3Sb_2基热电材料的研究便得到快速发展,有望能成为目前唯一大规模商业化的Bi_2Te_3热电化合物的替代材料。介绍了热电转化原理、Mg_3Sb_2基材料的晶体结构、电子结构及其p型、n型热电性能的研究现状。同时,简要分析了Mg_3Sb_2基材料性能优化的主要策略及其作用机制,如掺杂、固溶、晶粒尺寸调控和能带结构设计等对载流子浓度、载流子散射、迁移率和Seebeck系数等热电性能的影响机制。最后,讨论了Mg_3Sb_2基热电材料应用于发电和制冷的初步研究结果和后期热电模块应用的相关问题。     

半导体制冷效率及空间冷量传递特性试验研究

半导体制冷效率的大小取决于热电堆冷热端的温差,而强化热端的散热与强化冷端的冷量散发有利于降低热电堆冷热端的温差,从而提高半导体的制冷效率。本文探讨了由半导体冷端提供准量进行制冷的空间温度在自然对流和强制对流状态下随时间变化的规律。结果表明强制对流有助于冷量的传递和制冷效率的提高。     

低温环境下复合材料层板动态断裂韧性的实验研究

利用ＭＴＳ材料试验机和自制的低温实验装置，研究了玻璃布－环氧层板（ＧＦＲＰ）在０℃、－３０℃低温环境下的动态断裂性能。采用ＷＥＫ断裂模型来预测低温环境下ＧＦＲＰ材料的动态断裂韧性，给出了具体的实验测试步骤和理论分析方法。同时测定了单边切口试样拉伸情况下的断裂功，和ＷＥＫ模型计算值进行比较，这两种方法都反映出温度和加载速率的改变对玻璃布－环氧层板材料的断裂性能有明显的影响。在低温环境下，当应变速率提高时，断裂性能明显增强；和室温情形相比，在低温环境下，ＧＦＲＰ材料的断裂性能有所提高     

串联式汽车尾气热电发电系统台架试验

利用低温型Bi2Te3基热电器件构建一种4层串联结构的汽车尾气热电发电系统,通过台架试验测试了系统的输出性能并分析其影响因素.结果表明：当热电器件的最高热端温度达到其最大耐热温度时,系统的可回收最大功率约为60 W;采用一体化间接冷却方式难以降低系统的冷端温度,从而导致温差不明显;在相同条件下,中间2层串联热电器件的总体输出性能较好,适当减小集热器的尺寸,可以提高其热容量和表面温度,从而提高系统的输出性能.     

热和电之间的和谐：一种清洁再生能源

热电材料是利用温差电效应，即Seebeck效应，实现热能和电能之间转换的一种材料。热电材料主要应用于温差热发电和电制冷以及各种传感器件。每年一次的国际热电会议是探讨和交流热电材料的制备、性能和应用的国际性学术会议。第26届国际热电会议于2007年6月3-7日在韩国济洲岛的西归浦市举行。     

热电器件焊接层热电耦合应力分布特征

对热电器件焊料层的热电耦合应力特征进行了系统的研究,建立了热电发电器件单一材料和分段材料热电支腿结构的仿真模型.利用有限元软件ANSYS分析了焊料性能对热电转换效率的影响以及存两类结构边界条件下焊料层上的应力分布特征,得出了最可能的破坏位置,同时探讨了不同的材料分段对热电转换效率和焊料层可靠性的影响.所得结论对热电发电器件的优化设计和制造具有重要的指导意义.     

非均匀温度分布下温差发电阵列拓扑结构优化

利用热电材料实现温差发电技术已成为目前研究热点,但温差发电阵列热端温度分布不均将严重影响系统的输出功率和可靠性。为此,首先针对2×2温差发电阵列,研究其在不同热端温度分布情况下,温差发电阵列内部的连接方式与输出功率和可靠性的关系。其次,提出了一种温差阵列内部连接结构优化方法,通过改变内部连接方式以减少阵列功率损失,提高其可靠性。最后,通过温差实验平台,在不均匀温度下开展了4×4温差发电阵列实验,并与传统串并联阵列、网状阵列和桥型阵列等温差发电阵列进行了输出功率及可靠性比较分析。实验结果表明：在热端温度不一致的情况下,所提出的优化温差发电阵列比传统温差发电阵列可以更好地兼顾温差发电阵列的输出功率与可靠性。     

NaxCoO2热电性质的第一性原理研究

热电材料能够进行热能与电能的直接转化,对其进行理论研究对实际应用具有指导意义.NaxCoO2是一种新型的热电功能材料,近年来逐渐成为研究的热点.本文在基于密度泛函理论的第一性原理电子结构研究的基础上,利用恒定弛豫时间近似条件下的线性波尔兹曼方程研究了这种材料体系的热电性质,得出了其热电功率在确定温度下作为Na原子含量的函数.     

低温选择性硫化氢气敏元件的研制￣①

采用均匀沉淀法合成了ＺｎＳ半导体气敏材料；用Ｘ射线衍射和透射电镜确定了合成材料的物相和微观结构；用静态配气法测试了合成材料在低加热功率下对Ｈ２Ｓ气体的灵敏特性实验结果表明：硫代乙酰胺直接水解法制备的ＺｎＳ在低温对Ｈ２Ｓ具有好的灵敏度和选择性。     

基于相变材料的锂电池保温数值模拟

为保证锂电池在低温环境下的高效运行，利用ANSYS软件建立了锂电池相变材料三维热管理模型，用数值模拟的方法研究了基于相变材料的锂电池在低温环境下的保温性能以及静置后在放电过程中温度的变化。研究结果表明：在环境温度为-10℃、锂电池初始温度为25℃的情况下，包裹相变材料的锂电池温度维持在0℃以上的时间与没有任何保温处理的锂电池相比提高了130%，且保温时间随相变材料导热系数的降低而延长；在相同的包裹厚度（10 mm）下，包裹8 mm相变材料外加2 mm保温材料的锂电池的保温时间比只包裹10 mm相变材料的锂电池提高了20%。包裹相变材料的锂电池在-10℃的低温环境下放置一定的时长后仍能在适宜的工作温度下放电，但当放置时间过长导致锂电池的初始温度降至与环境温度一致后，包裹的相变材料反而会阻碍锂电池的启动。     

低温选择性硫化氢气敏元件的研制

采用均匀沉淀法合成了ＺｎＳ半导体气敏材料，用Ｘ射线衍射和透射电镜确定了合成材料的物相和微观结构；用静态配气法测试了合成材料在低加热功率下对Ｈ２Ｓ气体的灵敏特性。实验结果表明：硫代乙酰胺直接水解法制备的ＺｎＳ在低温对Ｈ２Ｓ具有好的灵敏度和选择性。