纳米复合热电材料温差发电过程热-电传输的微观机理研究

Based on the research background of the thermoelectric power generation technology and its application, a thermal conductivity coefficient calculation model of nanocomposite thermoelectric materials has been created according to research progress of the microscopic mechanism of heat transfer, conductive process of thermoelectric materials.The electric-heat transfer performances of nanocomposites have been investigated by expanding the simulation methods of in multidimensional nano-structure in this research. The effects of nanometer scale effect and regional heat source on temperature and heat flux distribution in the region have been investigated.The horizontal and vertical thermal conductivity of composite thermoelectric materials with nanometer scale may be calculated by use of the effective thermal conductivity model.The new Boltzmann equation for phonon and electron transport in nanocomposites has been used to analyze the heat - electricity transmission phenomenon and thermoelectric properties of periodic multidimensional nanocomposite materials.Monte Carlo simulation method and deterministic solutions of the equation have been used to predict the effects of scale effect, dimension effect and different boundary conditions on the thermal conductivity of the composite thermoelectric materials.A type of method that high energy is coupled to the electronic by use of surface film has been tried change the electron phonon transmission balance in the thermoelectric material.To solve the mutual restraint contradiction of the conductivity and thermal conductivity of thermoelectric materials, The methods applied in the research may achieve in effectively controlling the phonon and electron transport pathways and improving the thermoelectric figure of merit (ZT) of thermoelectric materials.

针对温差发电技术的应用及热电材料传热、导电过程微观机理的研究现状，建立复合热电材料的导热系数计算模型，扩展多维纳米结构中瞬时声子传输模拟方法，对纳米复合材料的热-电传输性能进行研究。分析纳米结构尺寸效应和纳米区域热源对区域内温度和热流分布的影响，得出沿纳米结构的横向和纵向的导热系数。建立重点体现纳米尺寸效应的BTE声子传输方程，研究周期性的多维纳米复合材料中的热-电传输现象。运用其确定性解和MonteCarlo模拟方法研究尺、维度效应和不同边界条件对复合热电材料导热系数的影响。探讨通过利用表面膜把高能量耦合到电子中使热电材料中的电子和声子之间产生非平衡的可能性。从解决热电材料导电率升高和导热系数下降相互制约的矛盾着手，实现声子和电子传输途径的有效控制，以提高热电材料的优值系数（ZT）。

针对温差发电技术及其相关材料的研究现状，对纳米复合材料的热物理性能进行研究，建立重点体现纳米尺寸效应的BTE声子传输方程，研究周期性的多维纳米复合材料的热传输现象，分析纳米结构尺寸效应和纳米区域热源对区域内温度和热流分布的影响。采用数值仿真与实验相结合的方法对纳米复合半导体温差发电系统进行性能分析与测试，重点讨论温差发电组件的分析模型、基板对组件传热特性以及在输出特性方面的影响；考虑热电单元之间空隙的空气流动传热问题，建立接近实际工况的数值模型，探究热电单元的结构、尺寸等因素对温差发电组件性能的影响，并比较不同散热外场对温差发电系统输出功率、转换效率的影响。本研究对全面提升半导体温差发电系统的性能和应用将产生一定的影响。主要研究工作与成果包括以下几个方面：1.采用热阻网络分析、对比分析和实验测试的方法，对半导体温差发电组件冷端采用强制空气冷却和强制液体冷却下各部分热阻的分布，以及对组件热流密度、输出功率、输出电压的影响。针对热源的性质（恒热流密度和恒温）、使用环境以及负载特性的需求；并结合工程的经济性而设计合适的温差发电组件结构以及温差发电系统的散热外场，为进一步优化半导体温差发电系统各部分热阻奠定理论基础。2.为分析温差发电组件性能，提出一种新型的半导体温差发电模型。在温差发电过程的数值模拟中考虑热电单元之间封闭腔体内空气传热的影响。同时基于有限元法数值计算方法，利用 ANSYS 数值仿真软件对不同电臂对数和不同型号温差发电模型的温度场、电压场进行数值仿真计算，并对仿真结果进行三维稳态分析。对比三种不同横截面积的热电单元的温差发电模块的性能，得出热电单元的输出电压、功率以及能量转换效率均随着热电单元的横截面积的增大而提高，且热电单元冷热两端的温差越大提高幅度也越大，而温差发电芯片内阻则随着电偶臂横截面积的增大而减小；这些结果对热电组件的结构优化和具体规律的全面研究有重要意义。3.为进一步探究半导体温差发电系统的性能而建立半导体温差发电模块测试系统，设计低压辅助启动的稳压模块。分析半导体温差发电系统的散热外场、热源温度和负载电阻对热电性能的影响。通过比较分析，对于恒温热源强制液体冷却方式相比于强制空气冷却方式更有利益于提高温差发电模块的输出功率且高达24.4%。研究成果将对需维持纳米器件的功能和可靠性而产生的热量进行处理提供理论指导。