热电器件支腿结构对其性能的影响.doc

PAGE 1 MACROBUTTON MTEditEquationSection2 SEQ MTEqn \r \h SEQ MTSec \r 1 \h SEQ MTChap \r 1 \h 热电器件支腿结构对其性能的影响 热电器件是一种可以直接将热能转化为电能的发电装置，它具有可靠性高，无噪声，无运动部件，绿色无污染等优点；为满足人类可持续发展对能源的需要以及解决燃用大量化石能源造成的环境污染和生态破坏等问题，提供了一种有效的可能途径。因此，热电器件温差发电的应用前景非常广阔。 热电器件的性能主要取决于它的输出功率和效率，但是，在实际应用中，热电器件所处的严酷环境使其具有较高的热应力，而高应力引起的材料损坏，裂缝等问题将导致器件不能以预期的性能工作，甚至损坏。因此，在实际应用中，热电器件的力学性能也应该被考虑。由于热电器件的腿部是长方体的，这使得它与其他部件的接触处很容易形成热应力集中。因此，本文用圆弧过渡的方法来减少此处的应力集中，并以此来减小热电器件腿部的最大Mises等效应力，并通过使用ANSYS软件建立了基于碲化铋材料的热电器件的有限元模型，探讨了不同情况下热电器件的输出功率、转换效率以及力学性能。最终，我们得到了一个最优的热电器件结构模型。 德国物理学家赛贝克（T.J. Seebeck）于1821年首次发现了半导体的温差发电现象，这为热电器件以后的发展奠定了基础；法国人帕尔贴于1834年发现了赛贝克效应的逆效应，即帕尔贴效应，这是半导体致冷器技术的理论基础；威廉·汤姆逊于1855年发现了赛贝克效应与帕尔贴效应间的对应关系， 预言了第三种热电效应—汤姆逊效应的存在。随着半导体材料的帕尔贴效应与汤姆逊效应的相继发现，热电器件由于其可靠性高、无噪声、无运动部件、绿色无污染等优点而被广泛应用于航空，航天，航海，太阳能及废热发电等领域。 1.1热电器件 热电器件最典型的结构如图1.1所示，它是由大量的热电偶通过电串联和热并联连接起来，并在两端的绝缘材料支撑下形成的一种三明治型结构。而每一对热电偶都是由含有大量电子的半导体支腿（n型）串联含有大量空穴的半导体支腿（p型）组成。对于热电器件的表面，热度温度（）以及冷端温度（）一般都是给定的，以便于做一些相应的分析。 图1.1 热电器件结构图[1] 与其他发电或制冷系统相比，现代热电装置的尺寸相当小，其主要部件的尺寸以毫米计，且其线性几何尺寸不会超过几厘米，这是为了降低外加温度梯度引起热膨胀而产生的结构应力。 PAGE 17 1.2 热电器件的研究现状 对于热电器件来说，热电转换效率无疑是评价其性能的重要指标。为了提高热电器件的效率，B.Jang[2]等使用有限元的方法研究了热电器件的结构参数对其转换效率的影响，其数值结果表明了其转换效率与热电偶的长度和横截面积的关系。A.Z.Sahin[3]等讨论了热电偶的腿部几何尺寸对其热电效率的影响；B.V.K.Reddy[4]等建立了数学模型，并通过数值方法研究了复合热电器件的转换效率。他们的结果表明，与传统的热电器件相比，复合热电器件的效率在热端温度为550K、450K和350K时分别提高了24.8%、26.2%和29.9%。 但在实际应用中，热电器件总是处在一定的温差环境中，此时由于温度梯度引起的热引力和热膨胀就有可能导致热电器件无法以被期望的性能进行工作，甚至会导致其因损坏而无法工作。因此，在评估热电器件的性能时，考虑其力学性能是至关重要的。近几年，学者们已经在热电器件的力学性能方面做了一些研究。S.Turenne[5]等研究了基于碲化铋半导体材料的热电器件的热力学性能，其数值结果表明焊接层的塑性变形可以有效的减小热电偶腿部的应力值。A.S.AL-Merbati[6]等讨论了热电器件的销型腿的几何参数对其热应力的影响，其结果说明可以通过改变销型腿的几何参数来减小热电器件的应力。贾晓东，高原文[7]研究了分段热电器件在理想工作条件下的热电性能及力学性能。 1.3 本文的主要工作 本文建立了基于碲化铋半导体材料的热电器件有限元模型，利用ANSYS软件对热电器件的输出性能和力学行为进行了研究。并针对热电器件的支腿与导体铜片接触处的应力集中问题，本文提出了应用圆弧过渡的方法来减小此处的应力集中，并由此减小热电器件的腿部的最大Mises等效应力。本文还讨论了各种不同圆弧半径情况下热电器件的力学特征和输出性能，最终所得结论为热电器件的优化设计等提供了理论依据。 第二章 控制方程 2.1热电及热结构耦合的控制方程 利用ANSYS，我们建立了热电器件的三维模型的平面图如图2.1所示，其中热电偶的p型和n型支腿的横截面的边长为3mm，腿部的长度为