微型热电系统的多物理场耦合模型与性能优化研究

发布时间：2021-07-23 12:23

　　由于能源与环境问题,近些年来各种可再生能源及新能源的研究成为热点,其中热电转换技术是通过半导体材料的热电效应实现热能与电能直接相互转换的技术,受到广泛关注。热电器件由于其没有流体工质和压缩膨胀等运动部件,因而没有震动和噪生、可靠性高,而且不产生污染,对环境无破坏,应用前景广泛。开展相关基础理论研究,优化热电器件结构,提高其性能对于大规模工业应用十分必要。虽然热阻模型和一维热传导模型已经被发展并用于热电性能的研究,但由于模型限制,仍有诸多关键问题未能解决。比如,只能采用常物性或温度平均物性,无法考虑热损,更重要的是没有求解电流密度,无法考虑温度场和电势场的耦合效应。因此,有必要从半导体热电材料中电子和空穴的输运机理出发,通过深层次剖析半导体热电技术中涉及的热电效应,发展通用的热电单元／器件三维、稳态和瞬态多物理场耦合数学模型。模型真正实现了温度场和电势场的耦合求解,同时考虑了热电技术中涉及的所有效应,包括：傅立叶热传导,对流和辐射换热,赛贝克效应,珀尔帖效应,汤姆逊效应,焦耳热效应,以及半导体材料变物性效应。详细分析了材料变物性、热损对热电单元/器件性能的影响,以及操作工况或外部环境发生... 

【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：134 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

热电制冷原理示意图

热电发电也经常被称为半导体热电堆发电。半导体热电发电器的工作过程如图2-2所示。发电器工作于冷、热源之间，其热端从热源吸热，然后由冷端向冷源放热，同时将热能转化为电能，以温差电动势或电流的形式输出。半导体热电发电器产生的温差电动势主要由汤姆逊电动势和帕尔贴电动势组成。其中，汤姆逊电动势是由半导体材料中导电机构（自由电子或空穴）的热运动产生的。当半导体材料的两端存在温差时，半导体的导电机构受到热激发后运动状态会发生改变。对于N型半导体，自由电子从高温向低温迁移，因此在低温端积累电子带负电，而高温端缺乏电子带正电。同时，高低温端会-8-

详细阐述三维多物理场热电稱合模型的发展过程。图3-1给出了 TEC热电单元结构示意图，其包括一个柱状的P型半导体和一个柱状的N型半导体，夹在两个导电金属片之间，在金属片两端为电绝缘的陶瓷板。金属片和半导体的厚度分别为和历，P型和n型半导体横截面均为边长为12的正方形，二者间距为ii。在P型和N型半导体中，载流子分别为空穴和电子，因此当电流从P型半导体流向N型半导体时，P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子均由下向上（正2方向）迁移

【参考文献】：
期刊论文
[1]温差电技术的研究进展[J]. 栾伟玲,涂善东.  科学通报. 2004(11)



本文编号：3299283