低温差下半导体温差发电模块性能分析与实验研究--《同济大学》2007年硕士论文
低温差下半导体温差发电模块性能分析与实验研究
【摘要】：半导体温差发电器是基于塞贝克效应的一种可以将热能直接转换成电能的装置。半导体温差发电器作为一种特殊的能量转化方式，有其独特的优点，特别适合用于对低温差能量的回收利用。
本文对半导体温差发电器的工作过程进行了火用分析，提出了用火用效率作为低温差下半导体温差发器工作性能的评价参数。并对半导体温差发电模块的工作性能进行了分析，主要考虑了电偶臂的几何尺寸、接触效应和汤姆逊效应对其工作性能的影响。由于接触效应的影响，温差发电器的工作效率将随温差电偶臂长度的减小而降低，而且接触效应影响越显著，工作效率降低的就越迅速。汤姆逊效应对输出功率有所影响，但并不影响取得最大输出功率时，负载电阻的匹配条件，降低冷端温度有利于减小汤姆逊效应对最大输出功率的影响。在单级温差发电模块的基础上，在内外均不可逆的情况下，建立了二级温差发电模块的工作模型，得到了其性能参数的表达式，主要分析了二级温差发电模块两级电偶臂对数的比例关系，指出了和二级半导体制冷过程的不同之处。从熵产的角度，以熵产最小化方法，分析了三种工作模型的温差发电器的熵产。在理论分析的基础上，进行了实验研究。搭建了半导体温差发电的小型试验台，实验中对温差发电模块分别采用了串联和并联的连接方式，分析了半导体温差发电模块性能参数的测试方法。实验得到了不同工况下输出功率，工作效率，火用效率随负载电阻的变化曲线，以及在负载电阻一定的情况下，工作效率、火用效率随温差的变化曲线。
最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。
【关键词】：
【学位授予单位】：同济大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2007【分类号】：TM913【目录】：
ABSTRACT6-11
第1章 绪论11-19
1.1 课题背景及意义11-15
1.1.1 温差电的发展历史11-12
1.1.2 温差发电的特点12-13
1.1.3 温差发电的应用13-15
1.2 现阶段发展现状15-17
1.3 课题研究的主要内容17-19
第2章 热电效应及优值系数19-25
2.1 热电基本效应19-23
2.1.1 塞贝克效应19-20
2.1.2 珀尔帖效应20-21
2.1.3 汤姆逊效应21
2.1.4 焦耳效应21-22
2.1.5 傅立叶效应22
2.1.6 热电效应的相互关系22-23
2.2 热电材料的优值系数23-24
2.3 本章小结24-25
第3章 半导体温差发电的性能参数25-31
3.1 温差发电的输出功率25-26
3.2 温差发电的工作效率26-28
3.3 温差发电的火用效率28-29
3.4 本章小结29-31
第4章 半导体温差发电模块的性能分析31-48
4.1 单级温差发电模块31-40
4.1.1 温差电偶臂的几何尺寸32-33
4.1.2 接触效应33-37
4.1.3 汤姆逊效应的影响37-40
4.2 二级温差发电模块40-47
4.2.1 理论模型40-42
4.2.2 性能参数42-44
4.2.3 性能优化分析44-47
4.3 本章小结47-48
第5章 半导体温差发电器中的熵产48-59
5.1 熵产最小化方法48-49
5.2 热力学基本定律49
5.3 温差发电器中的熵产49-57
5.3.1 内部不可逆外部可逆模型中的熵产49-53
5.3.2 内部可逆外部不可逆模型中的熵产53-55
5.3.3 内部、外部均不可逆模型中的熵产55-57
5.4 本章小结57-59
第6章 半导体温差发电的实验研究59-69
6.1 实验系统的设计59-63
6.1.1 发电模块的布置59-60
6.1.2 实验系统的组成60-61
6.1.3 热端和冷端61
6.1.4 接触面61-62
6.1.5 测量仪表62
6.1.6 发电模块的选择62-63
6.2 测试参数及方法63-64
6.2.1 温度的测量63-64
6.2.2 输出功率的测量64
6.2.3 输入功率的测量64
6.3 测试结果及分析64-68
6.3.1 输出电压随负载电阻的变化64-65
6.3.2 输出功率随负载电阻的变化65-66
6.3.3 工作效率和(火用)效率随负载电阻的变化66-67
6.3.4 工作效率和(火用)效率随温差的变化67-68
6.4 本章小结68-69
第7章 结论及展望69-72
7.1 工作内容总结69-70
7.2 进一步的研究方向70-72
参考文献73-77
个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果77
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京公网安备75号中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：1；温差发电片应力分析及一种改进措施；王银涛1杨华峰1刘伟1范爱武1杨金国1李鹏2；（1华中科技大学能源与动力工程学院，武汉4300；2武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉；(Tel：027-E-mail：；摘要：本文利用有限元分析软件ANSYS建立了温差；关键词：半导体；温差发电；热应
中国工程热物理学会
传热传质学 学术会议论文
编号：113167
温差发电片应力分析及一种改进措施
（1 华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074
2 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉 430070）
(Tel：027-
E-mail：w_liu@)
摘要：本文利用有限元分析软件ANSYS建立了温差电偶和整体温差发电片结构的模型，计算得到了温差电偶和整体结构在热负荷下的应力分布特点，并对针对其应力集中地部位进行了优化设计，减小了应力集中的程度，有助于提高温差发电片的可靠性和使用寿命。
关键词：半导体；温差发电；热应力；可靠性。
温差发电器是利用塞贝克效应，将热能直接转换成电能的一种发电器件。温差发电器是一种静态的固体器件，没有转动部件，它体积小、寿命长，工作时无噪声，而且无须维护。因此在航天和军事领域有着广泛的应用背景[1]。随着石化能源的枯竭，美国、日本、欧盟等发达国家更加重视温差发电技术在民用领域的研究，利用太阳能、地热能、工业余热废热等低品位能源转化成电能。国内也有针对太阳能和汽车尾气余热进行发电的研究，取得了很大的进展。
温差电组件要达到较高的发电效率，通常要求发电组件冷热端之间形成较大温差，这将造成冷端连接片收缩或热端连接片膨胀，从而产生机械应力。机械应力的存在使得刚性的接头或P、N电臂很容易断裂，最终可能导致温差电偶的损坏，降低了整个发电器件的可靠性，缩短了温差电组件的使用寿命[2]。因为热而导致材料的形变和热膨胀失配，进而产生的热力耦合可靠性问题居各种可靠性问题之首。文献[3-6]对温差电偶以及温差发电片的热应力进行了研究分析。本文对常见的温差发电片运用ANSYS软件进行了数值计算，对其中的应力分布进行了讨论，并针对应力集中地地方进行了优化，得出的结论对温差发电片的优化设计有重要的指导意义。
1数学物理模型
1.1温差发电原理
温差发电的理论基础是固体的热电效应，在无外磁场存在时，它包括五个效应，导热、焦耳热损失、塞贝克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。最简单的热电单元为温差电偶，如图1所示。将一个P型温差电元
件和一个N型温差电元件在热端用金属导体电极连接起来，在其冷端分别用电极连接，就构成一个温差电偶，也称温差电单偶。在温差电偶开路端接入电阻负载，如果温差电偶的热面流入热流，在温差电偶热端和冷端之间建立了温差，则将会有电流流经电路，从而得到了热能直接转换为电能的发电器。
图1温差发电基本原理
若热端温度为Th，冷端温度为Tc，内阻为R，外界负载为RL，温差电系数为温差电偶产生的温差电系数为?NP??N??P，其中?N、?P分别为N极电偶和P极电偶的塞贝克系数，则温差电偶产生的温差电势为：
U??NP(Th?Tc)
产生的电流为：
输出功率为： ?(Th?Tc)U
（2） ?NPR?RLR?RL
1.2 ANSYS建模 2?NP2(Th?Tc)2(R?RL)2RL
本文对目前应用最为广泛的三明治式温差发电片，分别针对其内部温差电偶和整体温差发电片，在一定的简化条件下建立了模型，用ANSYS软件进行了热―电―结构综合计算，并主要针对热应力进行分析和讨论。温差电偶由连接铜片、焊料层、镍层和P型、N型材料组成，如图2所示。整体热电片由32对温差电偶在陶瓷基板上串联组成，不考虑内部温差电偶之间的填充物，如图3所示。对所有材料，均假设为各向同性，不考虑材料参数随温度变化的影响，取常温下材料参数，见表1。
表1 材料物性
杨氏模量 Gpa 310 117 201 83 41.8 41.8 泊松比
0.21 0.3 0.3 0.31 0.3 0.3 热膨胀系数 10-6
m/K 7.2 17.1 13.7 12 14.4 14.4 热导率 w/(m?K) 17 390 90.5 30 3 3 电阻率 Ohm?m NA 1.7×10-8 6.84×10-6 1.64×10-8 1×10-5 1×10-5 Seeback数 V/K NA NA NA NA -0.21
图2 温差电偶模型
图3 温差发电片模型
2数值计算结果及分析
2.1温差电偶计算结果及分析
在温差电偶中，P型和N型材料均为边长为2mm的正方体，上面覆盖的焊料层和镍层厚度为75μm，铜连接片厚度为0.3mm。为对比P型和N型材料截面形状对热应力的影响，计算了与正方形截面积相等圆柱形温差电偶模型。两者都在热端温度为327℃，冷端温度为27℃，负载为1Ω时求解温差电偶的热应力。
图4所示为电偶中温度分布。图5所示为电偶中整体的Von mises（范米塞斯）等效应力，在正方形截面电偶中，P型、N型材料以及焊料层和镍层的四角出现了应力集中，最大应力发生在铜连接片和焊料层接触面；在圆形截面电偶中，应力分布较为均匀。图7为将铜连接片移除后观察焊料层最大应力出现层面的应力分布，对于外侧（将P型、N型材料相对的面称为内侧），在焊料层P型、N型材料相对的内侧应力更为集中，且更大；正方形截面的电偶有相连成应力带的趋势，圆形截面电偶的内侧已经形成了一条应力带，且在方形截面和圆形截面下。分析其原因为，相对于其他接触层，铜连接片和焊料的热膨胀系数之差最大，且热端温度较高，所以在热端焊料层出现了最大应力；相对于焊料层外侧边缘，由于内侧边缘受到上面铜连接片热膨胀更多的影响，因而比外侧边缘的应
力更为集中。在实际应用中，无论是温差发电片还是温差制冷片，发生较多的失效形式就是焊料与铜连接片（导电片）的脱离，这一现象与计算结果是一致的。计算结果中，两种截面形状的温差电偶的输出功率基本相同。其最大应力值也基本相同，都在0.24GPa左右，这一计算值虽然远大于铜和焊料的屈服极强度，文献[4]指出，在实际中，焊料的塑性变形可以减小铜连接片和焊料之间的热应力。
在输出功率上，两种截面形状的电偶在1Ω负载下，输出功率均为0.152W。因此，从模拟的结果看，温差电偶的截面形状，对电偶的热应力分布有较大影响，对最大应力值和输出功率影响较小。
图4 温差电偶温度分布
图5 温差电偶Von mises等效应力
图6 温差电偶Von mises等效应力局部放大图
图7 焊料层表面应力分布
2.2温差发电片整体计算结果及分析
用以上温差电偶为单元，建立了由32对电偶串联组成的25mm×25mm规格的温差发电片模型。在热端温度为327℃，冷端温度为27℃，负载为1Ω时求解温差发电片的热应力。图8所示为温差发电片中温度场分布。图9所示为温差发电片中整体的Von mises（范米塞斯）等效应力图，在热应力的作用下，在陶瓷基板表面形成了不规则的应力带，且主要集中在有温差电偶的部位。图10和图11为最大应力面，即铜连接片上表面，应力分布和局部放大，在有陶瓷基板作用的情况下，最大应力出现在铜连接片的上表面，在铜连接片的四角出现了应力集中。铜连接片上表面的最大应力值达到了1.55GPa，而温差电偶单元内部，铜连接片和焊料层上的应力受到铜连接片上表面应力的影响，较之前有一定程度的增加。
图8 温度场分布
图9 应力场分布
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低温差下半导体温差发电器设计与性能研究
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