（輪機(jī)工程專業(yè)論文）太陽能熱電發(fā)電系統(tǒng)的熱效率和（火用）效率研究.pdf

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 隨著人類文明的不斷發(fā)展，現(xiàn)代社會對電力的需求越來越大。太陽能熱電 發(fā)電是把太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電技術(shù)之一，也是最可能引起能源革命、 替代常規(guī)能源的最為經(jīng)濟(jì)的手段之一。它具有可靠性高、無運(yùn)動部件、無污染、 無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，是綠色環(huán)保的發(fā)電方式隨著熱電材料優(yōu)值的發(fā)展，太陽能熱 電發(fā)電的前景非常廣闊。為此，本文對太陽能熱電發(fā)電做了一系列的研究，主 要從以下幾個方面進(jìn)行了探討： 首先從穩(wěn)態(tài)的熱傳導(dǎo)方程出發(fā)，對熟電裝置的基本單元進(jìn)行了熱力學(xué)分 析，建立了其數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出了輸出功率和發(fā)電效率的表達(dá)式；與此同時， 運(yùn)用有限元軟件a n s y s 建立了熱電基本單元分析模型。分別運(yùn)用數(shù)學(xué)模型和有 限元模型對相同材料參數(shù)和邊界條件的情況進(jìn)行了計算，并對結(jié)果進(jìn)行了比較。 其次，在熱電基本單元分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用a n s y s 軟件建立了太陽能熱電 裝置的實(shí)際模型，按照其實(shí)際工作狀態(tài)施加了邊界條件，考慮了集熱體表面熱 輻射和自然對流換熱的影響，得出了模型的溫度場和電勢場的分布規(guī)律以及熱 電裝置的回路電流、輸出功率和熱電效率。并對不同輸入能量的情況進(jìn)行了計 算，得出了熱電性能參數(shù)隨聚光比的變化規(guī)律。 然后，分析了集熱體材料參數(shù)對熱電性能的影響，得出了熱電效率和輸出 功率隨集熱體吸收率、發(fā)射率和熱導(dǎo)率的變化規(guī)律，并提出了太陽能熱電裝置 集熱體應(yīng)該具備的屬性要求。最后，還分析了自然對流、冷端溫度及負(fù)載等因 索對熱電性能的影響，并在此基礎(chǔ)上找出了影響裝置熱電性能的主要因素，探 討了提高性能的措施，得出了在當(dāng)前情況下提高熱電性能的可行方案。 最后，建立了太陽能熟電裝置的火甩分析模型。在效率分析的基礎(chǔ)上對裝置 的煙效率進(jìn)行了分析。得出了裝置火甩效率隨聚光比、集熱體材料發(fā)射率、集熱 體材料熱導(dǎo)率、自然對流換熱、冷端溫度和負(fù)載的變化規(guī)律。 本文主要運(yùn)用有限元軟件a n s y s 對太陽能熱電裝置在不同邊界條件和材 料參數(shù)的情況下進(jìn)行仿真計算，其分析結(jié)果對裝置的設(shè)計制造具有一定的指導(dǎo) 意義 關(guān)鍵詞：太陽能；熱電裝置；輸出功率；熱電效率；a 月效率 車論文研究得到國家高技術(shù)發(fā)展研究計劃項(xiàng)目。太陽眈熱電光電復(fù)合發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)與分布式電站示范 系統(tǒng)”( h n2 0 0 7 a a 0 5 2 4 4 4 ) 的盜助 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t w i t ht h eg o n 武a n td e v e l o p m e n to ft h eh u m a nc i v i l i z a t i o n , t h ed e m a n d sf o r d e c 啊c i t yp o w e r a r e b e c o m i n gi n c r e a s i n g l yl a r g e r i nm o d e ms o c i e t y s o l a r t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o ni sat y p eo fe l e c t r i c i t yg e n e r a t i n gt e c h n o l o g y , w h i c hc o u l d c o n v e r tt h es o l a rp o w e rt oe l e c t r i c i t yp o w e r i th a st h ea d v a n t a g e so fh i g hr e l i a b i l i t y , n o n - p o l l u t i o na n dp e a c e f u lo p e r a t i o n sw i t hi m m o v a b l ep a r t s , s ow h i c hi sag r e e na n d e n v i r o n m e n t a l l y - f r i e n d l yt e c h n o l o g y f o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h e r m o e l e c t r i c m a t e r i a l sa n dp r a c t i c ea p p l i c a t i o n , i tw i l lb eu s e dp r o g r e s s i v e l ym o r ei nt h ef u t u r e , a n dt h eb e s te c o n o m i c a lm e a s u m so fi tc o u l da l s ob r i n g0 na ne n c t g yr e v o l u t i o na n d s u b s t i t u t ef o rc o n v e n t i o n a l e n e r g y $ o u r c e s s o , as e r i e s o fs t u d yf o rs o l a r t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o rs y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , a n ds e v e r a lp r o p o s a l sh a v e b e e nb r o u g h tf o r w a r d , m a i n l y 鴰f o l l o w s ： f i r s to fa l l , b a s e do nt h es t e a d yh e a tc o n d u c t i o ne q u a t i o n , t h e r m o d y n a m i c a n a l y s i s i s p e r f o r m e d o na ne s s e n t i a lu n i to ft h e r m o e l e c t r i cd e v i c e s , a n da m a t h e m a t i c a lm o d e l i n gi ss e tu p t h eo a l c u l a t i n gf o r m u l a t i o n sf o rt h eo u t p u tp o w e r a n dg e n e r a t i n ge f f i c i e n c yo ft h ep o w e rg e n e r a t i o na r ed e d u c e d a tt h eb a m et i m e , a t h e r m o e l e c t r i ca n a l y s i sm o d e li sf o u n d e db yu s eo ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dw i t h a n s y s 。w i t ht h es a m em a t e r i a l p r o p e r t i e s a n db o u n d a r y , c a l c u l a t i o n sf o r m a t h e m a t i c a lm o d e la n df i n i t ee l e m e n tm o d e la r cc a r r i e do u t , a n dt h er e s u l t s 瓣 c o m p a r e d ， s e c o n d l y , o nt h eb a s i so ft h e r m o e l e c t r i cu n i ta n a l y s i su s i n ga n s y ss o f t , w a r e , t h ea c t u a ls o l a rt h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o rm o d e l sa r ec o n s t i t u t e d , a c c o r d i n gw i t ht h e i r a c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s , b o l d l yc o n d i t i o n sa r ei m p o s e do n e f f e c t so ft h eh e a t c o n v e c t i o na n dr a d i a t i o n a r ec o n s i d e r e d t h et e m p e r a t u r ef u n c t i o n , e l e c t r o m o t i v e f o r c e ，s h o r tc u r r e n t , o u t p u tp o w e ra n dt h e r m a le f f i c i e n c yo f t h e r m c * l e c t r i cd e v i c e sa r e o b t a i n e d i nt h es i t u a t i o no fd i f f e r e me n e r g yi n p u t , m o d e l sa r ec a l c u l a t e d t h e t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i n gp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e dw i t ht h ec h a n g e so ff o c a l i z i n g r a t i o i na d d i t i o n , a ne f f e c ta n a l y s i sf o rt h et h e r m a lg e n e r a t i n gc a p a b i l i t yo nm a t e r i a l p r o p e r t i e si sc o m p l e t e d t h el a wo ft h e r m o e l e c t r i ce f f i c i e n c y a n dp o w e ro u t p u t 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 c h a n g e dw i t ht h ec o l l e c t o r sa b s o r p t i o nr a t e , f i r i n gr a t ea n dt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t y i sf o u n do u t ，t h er e q u e s t sf o rc o l l e c t o r sm a t e r i a la t t r i b u t e so fat ；o t a rt h e r m o e l e c t r i c p l a n th a v eb e e ns p e c i f i e d f i n a l l y , a f f e c t i n gf a c t o r ss u c ha st h eh e a tc o n v e c t i o n , c o l d p o r tt e m p e r a t u r ea n dl o a da r ei n v e s t i g a t e d ，a n d0 1 1t h eb a s eo ft h i sw o r k , t h em a i n f a c t o r si m p a c t i n go i lt h et h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i n gc a p a b i l i t ya r ei d e n t i f i e dm e a s u r e s t oi m p r o v et h ep e r f o r m a r 蹴o b t a i n e d , a n dt h es c h e m e sf o re n l m n c 跫m e n tu n d e rt h e c u r r e n ts h t u a t i o na g ed i s c u s s e d f i n a l l y , am o d e lo fs o l a rt h e r m o e l e c t r i cd c 耐c ee x a g ya n a l y s i si ss e t u p o nt h e b a s i so ft h ee f f i c i e n c ys t u d y , t h et h e r m a le x p i r ye f f i c i e n c yo f t h ed e v i c ei sa n 且i y z e d , a n dt h el a w o fe x c r g ye f f i c i e n c yc h a n g e sc o m i n gw i t ht h ec o n d e n s e r sa 哩；y e f f i c i e n c yr a t i o ，c o l l e c t o rm a t e r i a le m i s s i v i t y , a n dc o l l e c t o r st h e r m a lc o n d u c t i v i t y , h e a tc o n v e c t i o nr a t i o ，c o l d - t e m p e r a t u r ea n dl o a da g ef o u n do u t t h i sp a p e ri sm o s t l yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o r w a g ea n s y st om o d e la n d c a l c u l a t e t h es o l a rt h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o rp e s o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tb o u n d a r y c o n d i t i o n sa n dm a t e r i a lp r o p e r t i e s s o m eo ft h er e m i t sw i l lh a v e8 4 1i m p o r t a n t r e f e r e n c et od e s i g na n dm a l t i n g k e yw o r d s ：s o l a r ；t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a , e f f i c i e n c y ；e x e r g ye f f i c i e n c y 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方以外，論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學(xué)或其他教 育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究的任何貢 獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽名：扭越。日期：苧蔓：! 蘭：夠 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即學(xué)校有權(quán) 保留、送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜?或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印和其他復(fù)制手段保存論文。 簽名：疊邋導(dǎo)師簽名：婦日期：圣竺互三，l 尹 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 課題背景 第1 章緒論 縱觀人類發(fā)展史，經(jīng)歷了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)文明和近代的工業(yè)文明農(nóng)業(yè)文明在 生產(chǎn)力低下的倩況下依靠農(nóng)耕牧漁而發(fā)展，與自然的關(guān)系是天人合一的；工業(yè) 文明強(qiáng)調(diào)人類征服自然、改造自然，從人類的創(chuàng)造力和人類自身的生產(chǎn)出發(fā)。 迅速發(fā)展生產(chǎn)力，以高速掠奪自然資源為價值取向，極大地推動了人類科技文 明的發(fā)展，創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)財富。但是，在發(fā)達(dá)、富裕、繁榮的后面，卻留 下了資源破壞和環(huán)境污染的滿目創(chuàng)痍，為此人類己經(jīng)付出了沉重的代價工 業(yè)文明過度地消耗資源、不當(dāng)開發(fā)遭到自然界越來越頻繁、越來越嚴(yán)重的報復(fù) 和懲罰。一系列全球資源、環(huán)境問題不僅嚴(yán)重地制約社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步發(fā)展，而 且對人類的繼續(xù)生存構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。 自本世紀(jì)7 0 年代以來，在以原油價格暴漲為標(biāo)志的“能源危機(jī)”之后，人 們一方面調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，不斷加大對新能源的開發(fā)利用：另一方面采用新技術(shù)、 新工藝，不斷提贏能源的利用率。特別是加強(qiáng)對自然界普遍存在的低晶位熱源( 如 地?zé)?、太陽能、海洋溫差能及工農(nóng)業(yè)余熱廢熱等) 的合理利用，取得了不錯的效 果，并且很多已經(jīng)走向了大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。 低品位熱源能夠產(chǎn)生的溫差很小，難于獲得較大的發(fā)電效率。然而，由于 低品位熱源具有投資較低或無須投資的特點(diǎn)，同時也由于其它能量轉(zhuǎn)換方式無 法利用這類低品位熱源，因此，如果有一種有效的方式能合理地利用上面所說 的地?zé)帷⑻柲?、海洋能及余熱和廢熱等能源，必定能夠緩解甚至解決日益嚴(yán) 重的能源壓力和環(huán)境危機(jī)，在人類為保護(hù)環(huán)境、開發(fā)利用可再生能源方面占有 一席之地 如何利用熱電效應(yīng)直接把低品位的熱源轉(zhuǎn)換為電能的研究己成為一個熱點(diǎn) 闖題，包括地?zé)?、太陽能、工業(yè)廢熱在內(nèi)的低品位熱源在我國是十分豐富的， 如果借助熱電器件來有效地利用這些低品位熱源，把它轉(zhuǎn)化為電能，這將產(chǎn)生 良性循環(huán)，不僅可緩解日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，而且必定具有很大的經(jīng)濟(jì)價 值和社會效益。 太陽能由于其儲存的無限性、分布的普遍性、利用的清潔性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu) 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 勢，在能源日益匱乏的今天，具有非常廣泛的發(fā)展空間，已被人類應(yīng)用到各個 不同的領(lǐng)域。太陽能發(fā)電則是其應(yīng)用方法之一。太陽能發(fā)電包括太陽能光伏發(fā) 電和太陽能熱電發(fā)電 ”。太陽能光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體等光電轉(zhuǎn)換器件的光伏效 應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能。太陽能熱電發(fā)電是先將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，再利 用塞貝克效應(yīng)( 溫差電效應(yīng)) 將熱能轉(zhuǎn)換為電能。太陽能復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)則是利 用分光器件將太陽光在某一波長處分開，將波長比較小的光用于光伏發(fā)電，將 波長比較大的光用于熱電發(fā)電，從而提高太陽能的利用效率 然而目前太陽能發(fā)電的成本還很高，發(fā)電效率也極低，其根本原因是人們 對太陽能發(fā)電器件的發(fā)電機(jī)理及其對材科熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率等性能的影響還沒有 充分認(rèn)識。因此，對太陽能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)和材料特性等進(jìn)行研究和分析，對 提高太陽能發(fā)電效率和降低等具有非常重要的意義 1 2 研究現(xiàn)狀 張常年等介紹了太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理翻，該系統(tǒng)以單 片機(jī)技術(shù)為核心，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對電池板發(fā)電電壓進(jìn)行采樣，由軟件對采 樣信號進(jìn)行分析，給出指令，驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動電池板，實(shí)現(xiàn)追蹤太陽的效果， 達(dá)到提高發(fā)電效率的目的，a b r a h a mi g i b u s 等詳述光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電技術(shù) l h ”，介紹了世界各國太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展情況以及我國相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 和前景。y u v o r o b i e v 等對含有只能利用部分太陽光譜的光伏發(fā)電裝置和既含有 光伏發(fā)電和熱電發(fā)電的混合高溫發(fā)電裝置進(jìn)行了理論分析和對比，認(rèn)為復(fù)合系 統(tǒng)更加有效和實(shí)用p j 卡l ，并具體分析了在高溫狀態(tài)下工作的太陽能混合轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)該系統(tǒng)由一個輻射集中器、一個光伏電池和熱力發(fā)電機(jī)組成。并重點(diǎn)討論 了兩種方案：一種是太陽輻射能全部都有工作在高溫下的光伏電池來吸收：另 一種是具有特殊的光伏電池結(jié)構(gòu)，它可以利用一部分不能被半導(dǎo)體材料吸收的 太陽光譜來達(dá)到高溫，而光伏電池本身工作在環(huán)境溫度下。計算表明混合系統(tǒng) 是切實(shí)可行且有效的，且效率遠(yuǎn)高于第一種情況的效率。 董兆等簡述了單晶硅太陽電池的工作原理1 7 1 ，分析了目前單晶硅太陽電池的 應(yīng)用情況，提出了蓽晶硅太陽電池應(yīng)用的改進(jìn)方案。吳玉庭等對常規(guī)太陽電池 在聚光條件下的熱電特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究i 礬。 李斌等分析了目前世界上主要的太陽能熱發(fā)電技術(shù)陰，即( 1 ) 塔式電站。( 2 ) 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 槽式太陽熱電站。( 3 ) 碟群一汽輪機(jī)太陽熱發(fā)電系統(tǒng)。( 4 ) 獨(dú)立蝶式一斯特林太陽 熱發(fā)電系統(tǒng)。( 5 ) 太陽煙囪。( 6 ) 太陽池?zé)岚l(fā)電。并對我國發(fā)展太陽熱發(fā)電技術(shù)提 出幾點(diǎn)思考。許克等列舉迄今為止比較成熟的五種熱電直接轉(zhuǎn)換技術(shù)，并分別 介紹了其原理及發(fā)展現(xiàn)狀 1 0 - 1 1 1 。 湯廣發(fā)等敘述了溫差發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用1 1 御，介紹溫差發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)及提高其性 能的方法。劉宏等從熱電優(yōu)值z 的基本公式出發(fā)分析出提高材料的s e e b e c k 系數(shù) 的途徑【1 3 1 ，認(rèn)為可以通過提高材料的電導(dǎo)率或降低材料的熱導(dǎo)率來提高熱電優(yōu) 值。張華俊等對半導(dǎo)體熱電堆的發(fā)電性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究f 1 4 j ，當(dāng)冷端溫度不變 時，熱端溫度越高，電堆輸出電壓和內(nèi)阻越大，回路中的電流強(qiáng)度越大。當(dāng)熱 端溫度不變時，冷端溫度越高，電堆輸出電壓越小，電流強(qiáng)度越小。 c a l l e nhb 等均認(rèn)為在半導(dǎo)體熱電器件研制中，一方面以提高半導(dǎo)體材料的 優(yōu)值系數(shù)和生產(chǎn)工藝為研究方向；另一方面應(yīng)從熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)出發(fā)，考慮不同 的外部條件，分析各種效應(yīng)、各種不可逆性對系統(tǒng)性能的影響，應(yīng)用非平衡態(tài) 熱力學(xué)優(yōu)化控制理論提供優(yōu)化設(shè)計方案和最佳運(yùn)行準(zhǔn)則【蠟1 聊。李洪峻等介紹了 幾類高性能材料及其不同的適用范圍1 1 9 i 賈磊等對p - n 結(jié)半導(dǎo)體溫差發(fā)電模型 進(jìn)行了熱力學(xué)分析1 2 0 】，并闡述了傳導(dǎo)熱和湯姆遜熱對輸出功率和效率的影響， 結(jié)果表明傳導(dǎo)熱對于器件的發(fā)電效率有較大的影響。 ，m a t e e v an 等研究認(rèn)為，在高溫和常溫區(qū)間內(nèi)，半導(dǎo)體熱電材料的輸出電動 勢是隨著冷端溫度的降低而增大1 2 1 z 2 1 ，并具體分析了半導(dǎo)體熱電材料的輸出電 動勢與冷端溫度的關(guān)系。余柏林等認(rèn)為，熱端溫度相同時，輸出電動勢隨著冷 端溫度的降低而出現(xiàn)先增大后減小的趨勢1 2 3 1 。這主要是是因?yàn)槊糠N半導(dǎo)體材料 的塞貝克系數(shù)都與材料的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成及能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)，而電導(dǎo)率則與 載流子濃度和遷移率有關(guān)。通過降低半導(dǎo)體材料的冷端溫度可以提高載流子濃 度和遷移率，從而提高半導(dǎo)體熱電材料的電導(dǎo)率。但實(shí)驗(yàn)證明，對于許多半導(dǎo) 體熱電材料而言，電導(dǎo)率提高到一定范圍后，其塞貝克系數(shù)卻隨著電導(dǎo)率的進(jìn) 一步提高而較大幅度的下降，從而造成輸出電動勢隨著冷端溫度的降低而出現(xiàn) 先增大后減小的趨勢。 h y u ndb 等對( b i ，t e ，s e ) 半導(dǎo)體材料進(jìn)行了深入的研究例，其結(jié)果表明： 當(dāng)溫度為2 5 0 k 左右時，塞貝克系數(shù)達(dá)到最大值。這與文獻(xiàn)的結(jié)果基本吻合。隨 著冷端溫度的降低，塞貝克系數(shù)減小，但是溫差還在增大，這就造成輸出電動 勢只能以較小的幅度減小。并通過具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自己的結(jié)論。s c h i l zj 等認(rèn)為 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 在熱電發(fā)電裝置中，決定換能效率的因素是溫差電優(yōu)值z t 口踟。但單一均質(zhì)材 料的z t 值隨溫度而變化。為此，他們都分別設(shè)法將各種均質(zhì)熱電材料按應(yīng)用溫 區(qū)設(shè)計成梯度結(jié)構(gòu)( f g m ) ，使均質(zhì)材料各段在整個溫區(qū)均能發(fā)揮最佳效率。馬 敢花等認(rèn)為提高熱電樹辯性能應(yīng)該從以下幾個方面出發(fā)1 2 曰：( 1 ) 提高載流子濃 度；( 2 ) 增加聲子散射；( 3 ) 在溫度梯度上使熱電材料梯度化。鮑思前等認(rèn)為 熱電材辯的梯度結(jié)構(gòu)包括材料載流子濃度的梯度化和疊層熱電材料按合界面的 梯度化1 2 9 - 3 ”。在不同溫度下，熱電材料具有不同的最佳載流子濃度值。如果在 材料適用溫度范圍內(nèi)，適當(dāng)控制載流子濃度，使其沿材料連續(xù)改變，保證整體 材料在相應(yīng)溫度點(diǎn)上都具有最佳的載流子濃度，這樣就能夠充分利用材料使用 中實(shí)際環(huán)境的熱能源，在較寬的濕度范圍內(nèi)得到較高的品質(zhì)因子，從而提高均 勻材料在其適用溫度域內(nèi)的熱電轉(zhuǎn)換效率李守林等介紹了梯度材料優(yōu)化設(shè)計 的理論基礎(chǔ)及方法p 】j ，并且將兩種不同單體材料連接起來，制備成梯度結(jié)構(gòu)熱 電材料，不僅能擴(kuò)大材料的應(yīng)用溫區(qū)，而且能極大地提高材料的熱電轉(zhuǎn)換效率。 g on a k a m o t o 在研究b i 2 t e ，p b t e 合金時，根據(jù)材料的熱導(dǎo)率之比來確定2 種材 科的長度之比p ”，這種方法顯然不夠精確。p e n gj i a n g y i n g 等在研究截流子濃度 不同的p b t e 合金組成的梯度材料時，將兩段材料功率因子與溫度曲線上的交點(diǎn) 作為組成該梯度結(jié)構(gòu)的最佳界面溫度，從而決定兩單段材料的長度p ”。s o o n - c h u l u r 等在研究z n 2 s b d ( b i s b ) 2 - f f e s e ) 3 時，用數(shù)值計算法計算出各自最佳界面溫度 與每段材科的最佳長度比，以及p 型和n 型熱電堆的最佳截面比p 4 】。宋瑞銀等 結(jié)合普通熱電發(fā)電器的理論模型，考慮到湯姆孫效應(yīng)、接觸熱阻，焊料層和導(dǎo) 熱覆蓋基板等因素的影響，建立了微小型熱電發(fā)電器的精確數(shù)學(xué)模型，并迸行 了性能優(yōu)化分析p ，】。t s u t s u im 等則采用更為精確的有限元法計算了最大熱電輸 出功率及各單段材料長度，并與實(shí)驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)相比。結(jié)果很相似。但對 于如何更精確地確定梯度熱電材料的結(jié)構(gòu)還需要在實(shí)驗(yàn)中摸索。梁永斌等介紹 了熱電發(fā)電器的原理、特點(diǎn)、基木結(jié)構(gòu)及其改進(jìn)措施陽，總結(jié)了近年來國內(nèi)外 在熱電發(fā)電器件研究方面的現(xiàn)狀，提出了提高發(fā)電效率的研究方法。潘玉灼等 認(rèn)為具有梯度結(jié)構(gòu)的熱電材料成分是梯度變化的【3 s j ，由于材料的熱導(dǎo)率。電導(dǎo) 率，塞貝克系數(shù)等存在差異，容易導(dǎo)致整個梯度材料的性能在界面處發(fā)生突變。 造成由于熱膨脹率的不同引起界面脫落，在接觸面處相互擴(kuò)散導(dǎo)致性能剜降， 在兩端和界面處的不同材料間產(chǎn)生接觸電熱阻等影響等問題，其優(yōu)化設(shè)計理論 錯綜復(fù)雜，形式多樣如何對梯度熱電材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最大限度地提高轉(zhuǎn)抉 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 效率，是目前熱電材料領(lǐng)域研究的熱電之一。錢衛(wèi)強(qiáng)提出半導(dǎo)體溫差發(fā)電器材 料特性是發(fā)電性能的前提條件p 川，大z t 值的熱電材料是制備高效熱電設(shè)備的基 礎(chǔ)。 蘇景芳等采用計算機(jī)輔助設(shè)計對溫差電制冷組件進(jìn)行研究 4 0 - 4 3 ，他認(rèn)為， 開發(fā)高效溫差發(fā)電器應(yīng)該成為主攻的方向，在這方面應(yīng)該融合先進(jìn)設(shè)計方法和 多學(xué)科的基礎(chǔ)理論，這方面的研究應(yīng)成為今后研究的重要課題之一。錢劍鋒通 過熱電器件的理論模型推導(dǎo)出考慮接觸效應(yīng)的實(shí)際模型，提出器件電阻、輸出 功率與電偶臂長度的相互關(guān)系模型，。并通過兩種途徑對熱電器件的性能進(jìn)行分 析。h s c h e r r e r 等通過計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對s l m t t e m d i t e 熱電發(fā)電設(shè)各性能、 尺寸和重量等建立熱電發(fā)電設(shè)備的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行模擬運(yùn)算，以求得高效率的 最優(yōu)設(shè)計方案i 枷。結(jié)論表明熱電發(fā)電設(shè)備具有優(yōu)越的性能和潛在的開發(fā)價值， 可以代替像太陽能電池板或放射性同位素這些標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)電設(shè)備。s ao m e r 等建 立了有多個熱電偶組成的熱電單元模型【“，討論了的最優(yōu)幾何參數(shù)并對優(yōu)化模 型的性能進(jìn)行了預(yù)測。但它著重分析的是熱電設(shè)備的幾何參數(shù)的優(yōu)化。 p a u ll a u 等均建立了包括焦耳熱、賽貝克效應(yīng)、帕爾貼效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)影 響的有限元模型并進(jìn)行了熱電設(shè)備穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模擬分析1 4 7 瑚j ，得出了熱電偶 a n s y s 模型可以用來精確高效的分析熱電設(shè)備的結(jié)論。宋瑞銀等按照微型熱電 發(fā)電器輸出功率的理論模型，對內(nèi)阻、塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo)率等熱電性能參數(shù)在 不同溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了測量和擬合。實(shí)驗(yàn)測試了不同電偶臂對數(shù)、電偶臂高 度以及不同冷熱端溫度時微型熱電發(fā)電器的最大輸出功率，結(jié)果表明：一定范 圍內(nèi)的最大輸出功率隨電偶臂高度的減小而增大，對電偶臂高度面積的比值進(jìn) 行適當(dāng)選取，可使最大輸出功率達(dá)到最優(yōu)值；屈健在半導(dǎo)體溫差發(fā)電的微觀機(jī) 理方面，提出了針對熱電材料的優(yōu)值系數(shù)達(dá)到一定值后會隨溫度下降的半導(dǎo)體 極性弱化假設(shè)i 矧，探討了在高溫情況下的低溫差發(fā)電器半導(dǎo)體電偶臂的內(nèi)部和 半導(dǎo)體金屬界面處非平衡載流子在溫差和電勢作用下的產(chǎn)生和復(fù)合運(yùn)動過程。 就發(fā)電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部換熱條件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計與分析。曾憲陽對太陽能 熱水系統(tǒng)的模塊構(gòu)件集熱器進(jìn)行了研究i 兜】。王軍等通過對均質(zhì)材料的性能指數(shù) 與溫度的關(guān)系研究得出均質(zhì)材料c o s b ，和b i ：t e ，最佳的界面結(jié)合溫度約為 5 0 0 k 托】；當(dāng)梯度結(jié)構(gòu)商，1 b c o s b ，熱電材料在3 0 0 k 至8 0 0 k 的溫度范圍使用時， 對梯度熱電材料中均質(zhì)材料c o s b ，和b i ，t e 3 的長度比進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計的結(jié) 果表明：最佳的c o s b ，和b i ，t e 3 的長度比約為1 5 ：2 當(dāng)熱端和冷端的溫度分別保 5 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 持在8 0 0k 和3 0 0k 時，分別對2 種均質(zhì)材料的界而結(jié)合處的溫度和長度進(jìn)行了 計算和設(shè)計，得出梯度熱電材料界面結(jié)合處的最佳溫度約為5 0 0k ，相應(yīng)的 兩：t e ，和c o s b ，長度分別為1 2 徹和1 0 m m 。w a r t a n o w i c z t 等對參數(shù)變化對p - n 結(jié)半導(dǎo)體的影響進(jìn)行了研究，得出理想情況下塞貝克系數(shù)、和電導(dǎo)的擬合關(guān)系 式p 5 4 】。 r f a nk u r t b a s 等均認(rèn)為利用傳統(tǒng)的能量分析( 基于熱力學(xué)第一定律) 不能全 面而定性的反映出系統(tǒng)各部分的能量損失，而基于熱力學(xué)第二定律的姍分析則 能夠得到系統(tǒng)中各種能量損失定量和定性的結(jié)果，他們都分別從效率和火用的角 度出發(fā)對光一熱電系統(tǒng)進(jìn)行了分析i 玨朔 1 - 3 本文工作 本文采用熱電有限元理論，運(yùn)用有限元分析軟件a n s y s ，建立了太陽能熱 電裝置的實(shí)際模型，并通過改變邊界條件以及材料參數(shù)，對不同情況下熱電裝 置的熱端溫度、回路電流、路端電壓、輸出功率、熱電效率以及 月效率進(jìn)行了 詳細(xì)的計算，得到了太陽能熱電裝置性能隨各個參數(shù)的變化規(guī)律全文共分為 六章，其主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)如下： 第一章對課題背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。 第二章介紹了熱電發(fā)電的相關(guān)理論，包括熱電效應(yīng)的基本原理、熱電材料 的性能參數(shù)和熱傳導(dǎo)相關(guān)理論。 第三章對熱電基本單元和太陽能熱電裝置進(jìn)行了分析。首先建立了熱電基 本單元一單p o n 結(jié)的數(shù)學(xué)模型和有限元模型，對兩種模型在相同形狀尺寸、材 料參數(shù)和邊界條件的情況下進(jìn)行了計算，并對結(jié)果進(jìn)行了對比，以驗(yàn)證有限元 分析過程的合理性；然后建立了某太陽能熱電裝置的實(shí)際模型，確定其計算邊 界條件，對不同聚光比情況下的發(fā)電性能進(jìn)行了計算，得出裝置熱電性能參數(shù) 隨輸入能量的變化規(guī)律。 第四章對太陽能熱電裝置的性能進(jìn)行了分析，考慮了諸多因素對裝置性能 的影響，得出了熱電性能參數(shù)隨各個因素的變化規(guī)律，并探討提高熱電性能的 途徑。 第五章對太陽能熱電裝置進(jìn)行了姍分析。在能量分析的基礎(chǔ)上，建立了太 陽能熱電裝置的j ：j 8 效率模型，并對影響火用效率的因素進(jìn)行了分析，得出了熱電 6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 裝置炯效率隨各個因素的變化規(guī)律。 第六章對全文進(jìn)行了總結(jié)，并指出下一步的研究方向。 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章熱能發(fā)電相關(guān)理論 本章介紹了與熱能發(fā)電相關(guān)的理論：熱電效應(yīng)的基本原理、熱電材料的性 能參數(shù)以及熱傳導(dǎo)的相關(guān)理論為熱電發(fā)電設(shè)備設(shè)計和性能研究提供理論基礎(chǔ) 2 1 熱電原理 熱電效應(yīng)是電流引起的可逆熱效應(yīng)和溫差引起的電效應(yīng)的總稱，它包括賽 貝克效應(yīng)，帕爾帖效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)這三個效應(yīng)通過開爾文關(guān)系式聯(lián)系在一 起。 2 1 1 賽貝克效應(yīng) 1 8 2 1 年，德國科學(xué)家賽貝克( s e e b e c k ) 在做電磁回路實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)：當(dāng)把一 個由兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路置于指南針附近時，若對該回路的其中一個 接頭加熱，指南針就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象即被稱為賽貝克效應(yīng)。 日 圖2 1 賽貝克效應(yīng)示意圖 如圖2 1 所示，由a 、b 兩種不同的材料構(gòu)成的電路，若兩個接點(diǎn)a 、b 之 間存在溫差醪，則在c 、d 之間會產(chǎn)生電動勢e 0 ，其大小與接點(diǎn)之間的溫差 成正比 見= 屹凹= 吧一馬) ( 2 1 ) 式中為賽貝克系數(shù)： 屹= 刪l i ma a _ r 蘭v = 竺d t ( 2 2 ) 其符號取決于組成熱電偶的材料本身及節(jié)點(diǎn)的溫度。一般規(guī)定，在低溫( 冷) 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 端，如果電流的方向是由a 到b ，a o 為正；a o 的大小取決于兩節(jié)點(diǎn)的溫度和金 屬導(dǎo)體的材料性質(zhì) 賽貝克效應(yīng)是熱能轉(zhuǎn)化為電能的直接途徑，是本文分析的理論核心。 2 1 2 帕爾帖效應(yīng) 1 8 3 4 年，法國物理學(xué)家c 九p e l t i e r 觀察到當(dāng)電流通過兩個不同導(dǎo)體的節(jié) 點(diǎn)時，在節(jié)點(diǎn)附近有溫度變化：當(dāng)電流從某一方向流經(jīng)回路的節(jié)點(diǎn)時，1 節(jié)點(diǎn)會變 冷，丙當(dāng)電流反向的時候，結(jié)點(diǎn)溫度會變熱。當(dāng)電流反窟的時候，結(jié)點(diǎn)溫度會 變熱。并與1 8 3 4 年首次發(fā)表于法國物理和化學(xué)年鑒上，因此這個現(xiàn)象稱帕 爾帖效應(yīng)l e n z 于1 8 3 8 年給出帕爾帖效應(yīng)的本質(zhì)特征帕爾帖效應(yīng)顯示出熱電 致冷的可能性 q = ：= 葛 圖2 2 帕爾帖效應(yīng)示意圖 帕爾帖效應(yīng)表明，流經(jīng)兩種不同的導(dǎo)體組成的圄路的結(jié)點(diǎn)的微小電流會產(chǎn) 生可逆的熱效應(yīng)，在時間丞內(nèi)其熱量a f q 。的大小與流過的電流i 成正比 d e , = 腦= 叮 ( 2 3 ) 比例系數(shù)刀稱為帕爾帖系數(shù)，也叫帕爾帖電勢。帕爾帖系數(shù)也同時取決于 兩種材料，而不是由其中一種材料決定的叮是傳輸?shù)碾姾?，?dāng)電流由a 到b ， 刀- 為正，砒色) 0 吸熱；反之則放熱萬0 的大小與節(jié)點(diǎn)溫度及熱偶組成材料 有關(guān) 在熱電轉(zhuǎn)化的過程中，帕爾帖效應(yīng)屬于二級效應(yīng)，但其重要性不可忽視， 是本文分析的重要理論基礎(chǔ) 2 1 3 湯姆遜效應(yīng) 1 8 5 4 年，湯姆遜( t h o m s o n ) 發(fā)現(xiàn)若電流流過有溫度梯度的導(dǎo)體，則在導(dǎo)體 9 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 和周圍環(huán)境之間將進(jìn)行能量交換，這種現(xiàn)象稱湯姆遜效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)得出單位長度 吸收或放出的熱與電流和溫度梯度的乘積成比例 q r = 勺譬 ( 2 4 ) 式中g(shù) 為單位長度導(dǎo)體的吸熱( 放熱) 率，也稱湯姆遜熱( w ，m ) ；d t d x 為溫度梯度( y d m ) ，f 比例常數(shù)，稱為湯姆遜系數(shù)( v 舊i 如果電流方向和溫度梯 度的方向一致時有吸熱現(xiàn)象，則湯姆遜系數(shù)f 。為正值。 湯姆遜系數(shù)的特點(diǎn)是只涉及一種材料的性質(zhì)。d t d x 的值越大，湯姆遜現(xiàn)象 愈明顯。因此，對于某些計算考慮湯姆遜熱可以提高計算精度 湯姆遜效應(yīng)屬于二級效應(yīng)，且其在熱分析中處于次要地位 三個熱電系數(shù)可以通過開爾文( k e l v i n ) 關(guān)系式聯(lián)系起來 開爾文第一關(guān)系式： 刀0 = u m t ( 2 5 ) 開爾文第二關(guān)系式： f ，玎等 ( 2 6 ) 2 2 熱電材料性能參數(shù) 熱電材料性能參數(shù)主要有賽貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，其大小直接決定 熱電材料品質(zhì)的優(yōu)劣 2 2 1 賽貝克系數(shù) 對n 型和p 型半導(dǎo)體材料，利用單能谷能帶模型，由費(fèi)米統(tǒng)計分布理論可 得非簡并情形下的賽貝克系數(shù)口的數(shù)學(xué)表達(dá)式： 口：土誓i ( + ，) + h 掣3 1 2l g 7 ， 式中，島一玻爾茲曼常數(shù)；p 一電子電量；j 一散射因子；舡普朗克常數(shù)；塒一 載流子( 空穴或電子) 的有效質(zhì)量：，載流子濃度 由上式看出，半導(dǎo)體材料的賽貝克系數(shù)、載流子濃度、載流子遷移率互相 1 0 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 聯(lián)系。 2 2 2 電導(dǎo)率 熱電半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率與載流子濃度( ) 及遷移率( ) 有關(guān)，其表達(dá)式 為 口= n 。e a ( 2 s ) 對熱電半導(dǎo)體材料而言。它的賽貝克系數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等都不是完全 獨(dú)立的物理量，它們都是載流子濃度的函數(shù)。 一般來說，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與載流子的濃度成正比，而賽貝克系數(shù)卻隨載 流子濃度的增加而降低， 在半導(dǎo)體中。載流子( 電子和空穴) 通過擴(kuò)散和漂移來產(chǎn)生電流其中， 空穴的擴(kuò)散和漂移產(chǎn)生的電流密度的表達(dá)式為 j p e p a ，悶一厶鞏罷 ( 2 9 ) 電子的擴(kuò)散和漂移產(chǎn)生的電流密度的表達(dá)式為 jf e p 嘏。融鼉 硌t i o ) 半導(dǎo)體中電子和空穴同時存在擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動時的電流密度方程為 一- ，= q g ，鲴一k e o r 塑農(nóng)) + e g 卅司k e o t d 露n ) ( 2 1 1 ) 式中，p 一電子電量；，一空穴濃度：一一電子濃度；工位移；約一空穴遷移 率；以一電子遷移率；k 一玻耳茲曼常數(shù)。 半導(dǎo)體中，空穴和電子的連續(xù)性方程分別為 空= 一小筍+ g ，(21z)dt e f 7 害：一! 一絲+ 島 ( 2 1 3 ) 礎(chǔ)e ” f - 式中，一時間；f ，一空穴壽命；厶電子壽命；g ，一因其它外界因素引起的 單位時間單位體積內(nèi)空穴的變化；g 一因其它外界因素引起的單位時問單位體 積內(nèi)空穴的變化 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 3 熱導(dǎo)率 半導(dǎo)體的熱傳輸相當(dāng)復(fù)雜。適用于低溫學(xué)意義上的溫度范圍的量子理論無 法解決熱電材料運(yùn)用于最重要的高溫區(qū)域。 從宏觀熱力學(xué)上來講，熱傳輸是指熱量在溫度梯度的作用下從高溫處向低 溫處的流動過程。在微觀尺度上，熱傳輸上是一個擴(kuò)散過程，熱傳輸?shù)妮d體包 括：a 聲子；b 自由電子和空穴；c 電子一空穴對；d 激子耦合電子一空穴對； e 光子。 熱傳導(dǎo)載流子在固體中并不是無限傳播，由于各種不同的機(jī)制產(chǎn)生的散射， 限制了各類熱傳導(dǎo)載流子的擴(kuò)散，因而材料的熱傳輸受到很大的制約。對熱傳 輸?shù)难芯烤图性趯ι⑸渥饔玫难芯可稀?當(dāng)幾種熱傳導(dǎo)機(jī)制同時存在時，總的熟導(dǎo)率是幾種熱傳輸機(jī)制的熱導(dǎo)率的 疊加 r = ( 2 1 4 ) 這種疊加并非簡單的加和，各種傳導(dǎo)機(jī)制間互相影響，熱導(dǎo)率機(jī)制的研究 必須考慮到載體間交互作用，對熱電半導(dǎo)體材料的熱導(dǎo)率可簡化成兩個部分， 即晶體點(diǎn)陣熱導(dǎo)率( 晶格熱導(dǎo)率r ，) 和電予熱導(dǎo)率： r = + ( 2 1 5 ) 電子熱導(dǎo)率受載流子濃度和載流子的遷移率的影響，隨載流子濃度呈近 似線性變化，同時隨載流子的遷移率變化，但是變化幅度比較小半導(dǎo)體材料 的電子熱導(dǎo)率在整個熱導(dǎo)率中所占的比例很小，所以在考慮材料的熱電性能時， 一般不考慮電子熱導(dǎo)率的影響。 2 2 4 熱電性能優(yōu)值 每種熱電材料都有各自的適宜工作溫度范圍，通常，以熱電優(yōu)值系數(shù)z 與 溫度丁之積這一無量綱量來描述材料的熱電性能，優(yōu)值越大，其熱電性能越理想 熱電優(yōu)值系數(shù)z 與z r 表達(dá)式為 z ：立 ( 2 1 6 ) r 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 z t ：1 2 2 0 - t ( 2 1 7 ) r 式中，z 優(yōu)值系數(shù)，單位k ；z t 優(yōu)值，無量綱數(shù)。 公式( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 表明，優(yōu)良的熱電材料應(yīng)具有較高的賽貝克系數(shù)，較低的 熱導(dǎo)率盯以維持較大的溫差、較高的電導(dǎo)率r 以減少焦耳熱損失。而影響z 值的 這三個參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，它們均是載流子濃度的函數(shù) 2 3 熱傳導(dǎo)理論 2 3 1 熱傳導(dǎo)微分方程 太陽能熱電裝置的溫度場以一定空間內(nèi)所有點(diǎn)上的溫度值來描述。在直角 坐標(biāo)系中，可用方程表述為t = ，以y ，z ，) 的形式。利用傅里葉熱傳導(dǎo)定律和能 量守恒定律，可以導(dǎo)出具有內(nèi)熱源、瞬態(tài)溫度場和變物性參數(shù)的固體導(dǎo)熱微分 方程式在直角坐標(biāo)系下，熱傳導(dǎo)方程的一般形式為 夏吖t - 刀f f 、j + 曇一等 + 曇i 罷 + 吼= 曇c 力 ( 2 - 8 ) 式中，r 為物體瞬態(tài)溫度，；f 為過程迸行的時間，s 礦為材料的密度， k g ，m 3 ；k 為材料的熱導(dǎo)率，w ( m c ) ic 為材料的比熱容，j ( k g ) ；吼為材料 的內(nèi)熱源強(qiáng)度，w m 3 ；j 、y 、：為空間坐標(biāo)。 若無內(nèi)熱源，式( 2 - l s ) c b 的吼取為0 即可式( 2 - i s ) 是傳熱方程的一般形式， 根據(jù)所描述的物理過程，上式可以有很多退化形式。 對于平面問題，認(rèn)為熱導(dǎo)率相同，將比熱容看成常量，方程( 2 1 8 ) 的形式為 恪芬卜叫詈 對于軸對稱問題，如以z 軸為對稱軸，則方程的形式為 - f ( k ( a 2 _ + ! _ r7 i 石c o t 等卜籌 ( 2 2 0 ) i 務(wù)z + 7 歹+ 夏 j + 靠2 p 。石 ( 2 2 0 ) 在本課題的計算中，采用的是穩(wěn)態(tài)分析，即r 不隨時問t 變化故式( 2 2 0 ) 的右側(cè)等于0 。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3 2 邊界條件 太陽能熱電裝置的傳熱分析主要有三類邊界條件，如圖2 _ 3 所示。 ( 1 ) 第一類邊界條件。指物體上的溫度函數(shù)已經(jīng)知道，用公式表示為 州，= l 糾，= 如y , z , o ( 2 2 1 ) 式中，r 為物體邊界；l 為己知壁面溫度( 常數(shù)) ，；f ( x , y , z ，f ) 為己知壁面溫 度函數(shù)( 隨時間而變) 。 文中在對熱電裝置進(jìn)行熱電耦合分析時，在散熱板上施加的邊界條件是采 用的第一類邊界條件，即約束散熱板表面的溫度為某一定值 圖2 3 熱傳導(dǎo)的邊界條件 ( 2 ) 第二類邊界條件。物體邊界上的熱流密度( 或稱熱流率或熱負(fù)荷 g ( w l m 2 ) 為已知。用公式表示為 刀l 吼糾魂2 9 2 ( 2 2 2 ) g i ，= 。氛= g 似弘毛，) 式中，撐為物體邊界的外法線方向：龜表示熱流率為一已知常數(shù)；弛弘毛f ) 表 示熱流率為一己知函數(shù)，在數(shù)值計算中經(jīng)常分段取其平均值作為常數(shù)。 式( 2 2 2 ) 中口的方向與邊界外法線力的方向相同，若g ：是從物體內(nèi)部向外流 出，則取正；若吼從