方钴矿基热电功能结构热发电效能分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

热电材料是一种环境友好的新能源材料，在工业余热发电和热电制冷领域中有广阔的应用前景，是我国和国际上自上个世纪九十年代后期以来高度重视发展的新型功能材料。热电功能结构不仅能有效地将热能转化成电能，提供能源利用率，保护环境，缓解能源短缺的压力，还能在外部设备发生故障时，产生微弱的电能来保证感测器或检测器正常工作。因此，在当今环境污染和能源短缺的严峻形势下，热电功能结构的应用需求以及发展潜力都是巨大的。

至今为止，许多学者已经进行了大量的实验来研究热电功能结构，尽可能提升热电功能结构的热电性能，包括提升热电材料的材料特性、降低结构尺寸及改变加载载荷方式等等实验，也得出了一系列的成果。有学者研究了多种热电材料的热电性能，最后发现，铋碲材料适合作低温热电材料，而方钴矿材料在中温领域具有优异的热电性能和结构稳定性，适合作中温热电材料。

高效转换是影响热电转化系统实际运用性的一个至关重要的因素。一个基于热电功能结构的系统的转化效率与其他的能量转化系统相比是相当低的。之前的研究中，基于热电发电装置的系统最高转化效率为4.75%.为了提高热电功能结构的热电转化效率，以新的技术提高热电功能结构的热电转化效率是极其重要的。目前的研究都集中在发展材料，增强材料的热电性能来提高转化效率，然而制造新材料的花费限制了热电材料长远的发展，而从降低结构尺寸以及选择合适材料参数的材料都能够有效提升发电效率。

2. 研究的基本内容与方案

本研究采用通过ANSYS软件建立气动加热和力载荷边界条件下，方钴矿基热电功能结构电输出效能分析有限元模型，模型整体尺寸为30mm×30mm，且设定p,n结的面积占整体尺寸面积的3/4，根据指定的气动加热与力载荷边界条件以及相关材料热物理和力学性能参数，其他材料尺寸依次作为变量来对方钴矿基热电功能结构电输出性能进行模拟分析。分别研究热流载荷影响、相变温度的影响、相变材料厚度的影响、隔热层厚度的影响、热电极高度的影响、导热金属层厚度的影响以及框架材料热导率的影响。得到这些因素对对方钴矿基热电功能结构电输出性能的影响规律，以及在这些条件下的热电功能结构的应力分布情况。通过分析这些结果，考虑结构所承受的热应力问题，找出最优结构尺寸和材料参数，为后续热电功能结构的试验工作奠定基础。

计算方法说明：根据赛贝克效应，热电耦将温差转化成电动势，当电路中内阻与外阻相等时，输出功率取得最大，这里我们没有考虑热电耦在热电转化过程中所消耗的热能，并且p,n结材料的赛贝克系数以及电导率都采用中间值来计算，得到模型温度数据及最大主应力分布情况，再计算模型的输出功率以及输出电能。

3. 研究计划与安排

第4-6周 学习与研究内容相关的理论知识，建立计算分析模型；

第7-9周 分析评价相变温控、结构参数、材料参数对热电材料温度场与发电性能的影响；

第10-11周 分析评价气动载荷对热电材料温度场与发电性能的影响；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] chen, leisheng; lee, jaeyoung. effect of pulsed heat power on the thermal and electrical performances of a thermoelectric generator. applied energy, 2015, 150: 138-149.

[2] 牟余. 车用热电器件的工作性能研究与影响因素分析[d]. 武汉：武汉理工大学，2014.

[3] hashim. h, bomphrey. j. j, min. g. model for geometry optimisation of thermoelectric devices in a hybrid pv/te system. renewable energy, 2016, 87: 458-463.