高性能热电发电器件的制备与服役稳定性研究
发布时间：2020-12-24 16:24
热电发电技术,是一种可直接将热能转换为电能的绿色环保技术。基于此技术的热电发电器件拥有结构简单、可靠性高、无运动组件、无噪音等独特优势,可广泛应用于工业废热和汽车尾气等废热利用场景,可有效地提高能源的综合利用率。然而当前热电技术的应用受到低效率、高成本以及服役稳定性差制约,因此开发高效率、低成本的热电发电器件,以及通过工艺优化提升热电发电器件的服役稳定性具有重要的意义。本课题针对适用于低温区发电的碲化铋基热电器件以及适用于中温区发电的铅基热电器件,对材料制备、阻挡层制备和器件组装进行研究,开发了高效率、高服役稳定性的热电发电器件,所取得的研究结果如下。本课题针对商用碲化铋基热电材料,分别通过电镀和化学镀的方法,成功在碲化铋材料上制备了致密化金属Ni层作为阻挡层材料,其中电镀Ni阻挡层的厚度为1-3μm,化学镀Ni阻挡层的厚度为20μm。然后采用Bi Sn Ag合金作为焊接材料,采用回流焊技术将镀Ni的碲化铋材料焊接到覆铜陶瓷板上,从而组装制备碲化铋基热电发电器件。基于电流和热流分析,确定碲化铋基热电器件的尺寸,设计并制备了24对碲化铋基热电发电器件,所制备的热电发电器件在300-450...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
能源结构
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-积方法[24]制作。1.3热电基本原理及热电材料1.3.1热电基本原理热电学三大热电基本效应实现了热能和电能之间直接的能量转化，即塞贝克（Seebeck）效应，帕尔贴（Peltier）效应和汤姆逊（Thomson）效应[1,25]。1.3.1.1塞贝克效应1821年德国科学家塞贝克第一次发现了固体材料中将热能直接转化为电能的现象，故该效应称为塞贝克效应。基于塞贝克效应可以实现热能直接发电。将两种导电材料首尾相连成，在其形成的闭合回路中有两个接头a和b，对两接头分别进行加热和冷却，两接头形成温差ΔT并保持，可以在回路中测量到电势差Vab，称为温差电动势。而这种现象可由公式（1-1）表示T（1-1）其中Sab称为两种材料的相对塞贝克系数，相对塞贝克系数可由两种材料的绝对塞贝克系数可由公式（1-2）表示（1-2）相对塞贝克系数也会因温差的反向，发生正负的改变从而使电势差具有方向性。而某种材料在温度T下的温差电动势率则可由公式（1-3）表示为ΔTΔT（1-3）其中S为材料在温度T时的绝对塞贝克系数，只和材料本身性能有关，单位一般是为μV/K。p型材料的绝对塞贝克系数为正值，n型材料的绝对塞贝克系数为负值[1]。塞贝克效应的微观物理本质如图1-3塞贝克原理示意图所示。图1-3塞贝克原理示意图图1-3中展示了载流子在不同温度环境下的分布情况。当p型半导体材料
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-按照Te1-Bi-Te2-Bi-Te1顺序排列[27]。碲化铋的带隙宽度约为0.15eV，是典型的窄带隙半导体材料[28]，属于菱方晶系，空间群为Rm。因为其原子层间的范德华力作用力较小，故其晶体容易沿（001）面发生解理。碲化铋熔点是585°C，是典型的低温热电材料。它是目前研究最早，较为成熟，且在半导体制冷方向已经实现商用的材料。当热源温度适中时，它也是低温热电材料中最具前景的发电材料。制备的主要方法有区熔法[29]、热压法、放电等离子烧结（SparkPlasmaSintering，缩写SPS）法和甩带法[30]等。图1-4碲化铋的原子排列情况和能带图[27,28]无论样品的制备方法是什么，材料是单晶型或是多晶型碲化铋[31]材料，碲化铋的层状晶体结构即决定了其热电输运性能和机械性能的各向异性。平行层面方向和垂直于层面方向各向异性很强。如图1-5所示为放电等离子烧结制备的样品，图中长条状样品为测量电学性能测试样品，片状样品为热学性能测试样品。在平行和垂直于压力，两方向上的样品的电学和热学性能差别较大。通常在平行于压力方向上载流子迁移率较低，电学性能差，同时热导率也较低，而在垂直于压力方向上则高迁移率导致好的电学性能以及较高的热导率。图1-5SPS样品的各向异性
【参考文献】：
期刊论文
[1]热电器件的界面和界面材料[J]. 胡晓凯,张双猛,赵府,刘勇,刘玮书. 无机材料学报. 2019(03)
[2]温差发电模型的热电性能数值计算和分析[J]. 王军,张超震,董彦,李艺琳,赵琛. 太阳能学报. 2019(01)
[3]方钴矿热电材料/Ti88Al12界面稳定性研究[J]. 张骐昊,廖锦城,唐云山,顾明,刘睿恒,柏胜强,陈立东. 无机材料学报. 2018(08)
[4]碲化铋基热电半导体晶体研究[J]. 李小亚,陈炎,郝峰,包晔峰,陈立东. 中国材料进展. 2017(04)
[5]多级热电发电机特性分析与性能优化[J]. 孟凡凯,陈林根,孙丰瑞. 热科学与技术. 2010(04)
[6]n型PbTe单体的一体化工艺研究[J]. 龙春泉,阎勇,张建中,任保国. 电源技术. 2008(05)
[7]微型热电制冷器制造技术及其性能[J]. 王小群,徐俊. 制冷学报. 2007(06)
[8]可持续发展模式下的资源产业制度变迁[J]. 马征. 商场现代化. 2006(06)
[9]温差发电器及其在航天与核电领域的应用[J]. 黄志勇,吴知非,周世新,郑文波. 原子能科学技术. 2004(S1)
本文编号：2935961
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
能源结构
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-积方法[24]制作。1.3热电基本原理及热电材料1.3.1热电基本原理热电学三大热电基本效应实现了热能和电能之间直接的能量转化，即塞贝克（Seebeck）效应，帕尔贴（Peltier）效应和汤姆逊（Thomson）效应[1,25]。1.3.1.1塞贝克效应1821年德国科学家塞贝克第一次发现了固体材料中将热能直接转化为电能的现象，故该效应称为塞贝克效应。基于塞贝克效应可以实现热能直接发电。将两种导电材料首尾相连成，在其形成的闭合回路中有两个接头a和b，对两接头分别进行加热和冷却，两接头形成温差ΔT并保持，可以在回路中测量到电势差Vab，称为温差电动势。而这种现象可由公式（1-1）表示T（1-1）其中Sab称为两种材料的相对塞贝克系数，相对塞贝克系数可由两种材料的绝对塞贝克系数可由公式（1-2）表示（1-2）相对塞贝克系数也会因温差的反向，发生正负的改变从而使电势差具有方向性。而某种材料在温度T下的温差电动势率则可由公式（1-3）表示为ΔTΔT（1-3）其中S为材料在温度T时的绝对塞贝克系数，只和材料本身性能有关，单位一般是为μV/K。p型材料的绝对塞贝克系数为正值，n型材料的绝对塞贝克系数为负值[1]。塞贝克效应的微观物理本质如图1-3塞贝克原理示意图所示。图1-3塞贝克原理示意图图1-3中展示了载流子在不同温度环境下的分布情况。当p型半导体材料
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-按照Te1-Bi-Te2-Bi-Te1顺序排列[27]。碲化铋的带隙宽度约为0.15eV，是典型的窄带隙半导体材料[28]，属于菱方晶系，空间群为Rm。因为其原子层间的范德华力作用力较小，故其晶体容易沿（001）面发生解理。碲化铋熔点是585°C，是典型的低温热电材料。它是目前研究最早，较为成熟，且在半导体制冷方向已经实现商用的材料。当热源温度适中时，它也是低温热电材料中最具前景的发电材料。制备的主要方法有区熔法[29]、热压法、放电等离子烧结（SparkPlasmaSintering，缩写SPS）法和甩带法[30]等。图1-4碲化铋的原子排列情况和能带图[27,28]无论样品的制备方法是什么，材料是单晶型或是多晶型碲化铋[31]材料，碲化铋的层状晶体结构即决定了其热电输运性能和机械性能的各向异性。平行层面方向和垂直于层面方向各向异性很强。如图1-5所示为放电等离子烧结制备的样品，图中长条状样品为测量电学性能测试样品，片状样品为热学性能测试样品。在平行和垂直于压力，两方向上的样品的电学和热学性能差别较大。通常在平行于压力方向上载流子迁移率较低，电学性能差，同时热导率也较低，而在垂直于压力方向上则高迁移率导致好的电学性能以及较高的热导率。图1-5SPS样品的各向异性
【参考文献】：
期刊论文
[1]热电器件的界面和界面材料[J]. 胡晓凯,张双猛,赵府,刘勇,刘玮书. 无机材料学报. 2019(03)
[2]温差发电模型的热电性能数值计算和分析[J]. 王军,张超震,董彦,李艺琳,赵琛. 太阳能学报. 2019(01)
[3]方钴矿热电材料/Ti88Al12界面稳定性研究[J]. 张骐昊,廖锦城,唐云山,顾明,刘睿恒,柏胜强,陈立东. 无机材料学报. 2018(08)
[4]碲化铋基热电半导体晶体研究[J]. 李小亚,陈炎,郝峰,包晔峰,陈立东. 中国材料进展. 2017(04)
[5]多级热电发电机特性分析与性能优化[J]. 孟凡凯,陈林根,孙丰瑞. 热科学与技术. 2010(04)
[6]n型PbTe单体的一体化工艺研究[J]. 龙春泉,阎勇,张建中,任保国. 电源技术. 2008(05)
[7]微型热电制冷器制造技术及其性能[J]. 王小群,徐俊. 制冷学报. 2007(06)
[8]可持续发展模式下的资源产业制度变迁[J]. 马征. 商场现代化. 2006(06)
[9]温差发电器及其在航天与核电领域的应用[J]. 黄志勇,吴知非,周世新,郑文波. 原子能科学技术. 2004(S1)
本文编号：2935961
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/2935961.html
