基于PCMs热-电转换系统的结构设计与实验验证

发布时间：2022-12-23 03:57

　　高超声速飞行器在稠密大气中因高速摩擦会产生大量的气动热,目前没有任何材料能够在与任务相当的时间尺度上承受这些载荷,这对飞行器的热管理系统提出了更高的要求。本论文基于热电技术,针对高超声速飞行器的环境控制与热量管理系统的热防护任务需求,提出了一种新型热-电转换系统。该系统利用相变材料对气动热流进行收集并构建稳定的温度梯度,然后将热能通过热电发电器转化成电能,并将电能直接驱动热电制冷器对舱内高发热功率的电子设备进行局部冷却。在降低飞行器表面温度的同时将气动热量在航天器不同空间进行有效转移,实现了热量的转化应用。针对这种热-电转换系统,采用ANSYS软件对热电器件进行模拟,研究了温差、ZT值、负载电阻、输入电流等因素对热电器件性能的影响规律。运用逆推法对热-电转换系统分析,结果表明:调节热电发电器两端的温差或者改变p-n结的数量可以实现热电制冷器的精准温控。由于热电器件的关键性能在相同条件下无法同时达到最大,需要对其进行优化分析。采用田口优化法对热电器件进行单目标优化分析,采用响应曲面法对热电器件进行多目标优化,并对优化后的最佳参数进行了模拟验证。再基于热阻模型,无量纲化相关参数,利用能量守... 

【文章页数】：88 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题的研究背景及意义
    1.2 热电材料及器件的研究进展
        1.2.1 热电材料的研究现状
        1.2.2 热电器件结构的研究现状
        1.2.3 热电器件上PCM的应用
    1.3 本文的主要研究内容
第2章 热电器件的理论模型及优化方法
    2.1 引言
    2.2 热电转换效应
        2.2.1 Seebeck效应
        2.2.2 Peltier效应
        2.2.3 Thomson效应
    2.3 ANSYS热电模型
    2.4 热电器件的控制方程
        2.4.1 TEG的控制方程
        2.4.2 TEC的控制方程
    2.5 热电器件的优化方法
        2.5.1 Taguchi优化法
        2.5.2 响应曲面优化法
        2.5.3 无量纲化分析法
第3章 典型热电器件及能量转换系统性能模拟
    3.1 引言
    3.2 TEG模块性能模拟
        3.2.1 单个热电单元性能模拟
        3.2.2 TEG结构及材料参数
        3.2.3 温差对TEG性能的影响
        3.2.4 负载电阻对TEG性能的影响
        3.2.5 热电优值对TEG性能的影响
    3.3 TEC模块性能模拟
        3.3.1 电流和温差对TEC性能的影响
        3.3.2 热电优值对TEC性能的影响
    3.4 热-电转换系统性能分析
    3.5 本章小结
第4章 热电器件及能量转换系统的多参数目标优化
    4.1 引言
    4.2 TEG的多参数目标优化
        4.2.1 TEG单目标优化
        4.2.2 TEG多目标优化
    4.3 TEC的多参数目标优化
        4.3.1 TEC单目标优化
        4.3.2 TEC多目标优化
    4.4 热-电转换系统优化分析
    4.5 本章小结
第5章 热-电转换系统的构建与实验验证
    5.1 引言
    5.2 相变储能复合材料的制备与表征
        5.2.1 实验原料及设备
        5.2.2 测试方法
        5.2.3 相变储能复合材料的制备工艺
        5.2.4 相变储能复合材料的表征
    5.3 基于PCMS的热电发电系统的实验研究
        5.3.1 实验装置及步骤
        5.3.2 基于PCMs热电发电系统性能特征
    5.4 热电制冷系统的实验研究
        5.4.1 实验装置及步骤
        5.4.2 热电制冷系统性能特征
    5.5 基于PCMS的热-电转换系统实验研究
        5.5.1 实验装置及步骤
        5.5.2 热-电转换系统性能表征
    5.6 本章小结
结论
参考文献
致谢



本文编号：3724667