【正文】 寸的半導(dǎo)體電偶臂。 熱電堆式熱電發(fā)電器 它是由美國噴氣動力實(shí)驗(yàn)室（ JPL）研制的 CrossPlane。 圖 33 Swiss Roll溫度分布仿真 實(shí)驗(yàn)研究還表明，三維的 Swiss Roll 結(jié)構(gòu)能減少熱量的損失 美國普林斯頓大學(xué)研究的方案 這是由德 國斯圖加特大學(xué)研制的 InPlane 微型熱電發(fā)生器，如下圖 24 圖 34 InPlane 微型熱電發(fā)生器 InPlane 型微熱電發(fā)電器件的結(jié)構(gòu)可以用 IC 的薄膜工藝，方便地形成半導(dǎo)體電偶臂之間的金屬電連接導(dǎo)流層，因而與標(biāo)準(zhǔn) IC 工藝兼容。我們在這里選擇 3種來進(jìn)行說明講解，再進(jìn)行性能和優(yōu)、缺點(diǎn)比較從而選出我們所需要的發(fā)生器類型來進(jìn)行研究分析和優(yōu)化。 圖 2－ 3 熱發(fā)電器單對電偶臂理想結(jié)構(gòu) 余熱 發(fā)電系統(tǒng)溫度 梯度的計(jì)算 圖 2－ 2為理論的一對 PN 電偶臂熱電發(fā)電器結(jié)構(gòu)。 可見，熱電效應(yīng)是熱傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)之間的一種可逆的交叉耦合效應(yīng)。當(dāng)電流由 a 到 b, πab 為正， dQ0,吸熱：反之則放熱。這三個效應(yīng)奠定了熱力學(xué)熱電理論發(fā)展的基礎(chǔ)。美 9 國 USC 空氣動力實(shí)驗(yàn)室于 2020 年推出微型熱電發(fā)電機(jī)（ MicroFire），德國 Dresden 科技大學(xué)，利用銅箔作 為介質(zhì)研發(fā)了一種微型熱電發(fā)電器，其面積為 16*30mm^2,輸出電壓達(dá)到 250mV。因此，能源是我國更好地進(jìn)行社發(fā)濟(jì)的關(guān)鍵 。近一個世紀(jì)以來，地球大氣中的二氧化碳不斷增加，氣候變暖，冰川積雪融化，使海水水位上升，一些原本十分炎熱的城市，變得更熱。 調(diào)查研究表明，發(fā)動機(jī)燃料燃燒所發(fā)出的能量只有 34％～ 38％（柴油機(jī)）或 25％～ 28％（汽油機(jī)）被有效利用。 解決全面建 設(shè) 小康社會面臨的資源約束和環(huán)境壓力問題 。 本文結(jié)合熱電堆式熱電發(fā)電器的理論模型，考慮到湯姆孫效應(yīng)的影響，建立了 發(fā)動機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)的 模型 。 余熱 發(fā)電器的設(shè)計(jì) .............................. 29 熱發(fā)電器的結(jié)構(gòu)制作 ........................... 33 熱發(fā)電器的工藝設(shè)計(jì) ........................... 37 余 熱發(fā)電器模塊的固定框架設(shè)計(jì) ....................... 39 余 熱發(fā)電器模塊和固定框架裝配 ....................... 41 余 熱發(fā)電器模塊之間的連接部件 ....................... 41 第 4 章 總 結(jié) .................................... 43 參考文獻(xiàn) ........................................... 44 附錄 ................................. 錯誤 !未定義書簽。 關(guān)鍵詞 3： 結(jié)構(gòu) 。目前，建沒節(jié)約型社會多從節(jié)能技術(shù)、綠色技術(shù)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)等方面展開，這有利于節(jié)約型社會建設(shè)的深入發(fā)展 。 熱污染首當(dāng)其沖的受害者是水生物，由于水溫升高使水中溶解氧減少，水體處于缺氧狀態(tài)，同時又使水生生物代謝率增 高而需要更多的氧，造成一些水生生物在熱效力作用下發(fā)育受阻或死亡，從而影響環(huán)境和生態(tài)平衡。 現(xiàn)代化國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源有著密切的關(guān)系，在正常的情況下，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源之間存在著正相關(guān)，也就是說，能源消費(fèi)量越大，國民生產(chǎn)總值也越高。 中國正處在持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵階段 , 開發(fā)新能源和充分利用低品位能源、廢能源具有重大意義 。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀： 熱電現(xiàn)象本身是可逆的 , 溫差發(fā)電和半導(dǎo)體致冷是熱電現(xiàn)象的兩個方面 , 互相可逆 。 圖 2－ 1 熱電轉(zhuǎn)換工作原理 11 塞貝克效應(yīng) 1821 年法國物理學(xué)家 在考察 BiCu 與 BiTe 回路的電磁效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)了熱電流、他的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)由兩種不同導(dǎo)體材科構(gòu)成的閉合回路的 兩個節(jié)點(diǎn)溫度不同時，回路中有熱電流產(chǎn)生，這就是 Seebeck 效應(yīng)如圖所示 圖 22 賽貝克效應(yīng)圖 不同導(dǎo)體材料 , 兩端節(jié)點(diǎn)存在溫差⊿ T 時，便會產(chǎn)生 Seebeck 電勢⊿ V，定義 Seebeck 電勢率 αab=V/T, 當(dāng)⊿ T→ 0 時 ,寫成 : αab = dV/Dt （ 2－ 1） αab 稱為塞貝克系數(shù) ,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)定在低溫是 a 到 b,其值為正 ,他的大小取決于兩節(jié)點(diǎn)的溫度和金屬導(dǎo)體的材料性質(zhì)。 湯姆遜效應(yīng) 1854 年， Thomson 發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流通過一個單一導(dǎo)體，且該導(dǎo)體中存在溫度梯度，就會有可逆的熱效應(yīng)產(chǎn)生，稱為 Thomson 效應(yīng)，產(chǎn)生的熱為 Thomson 熱。 14 余熱發(fā)電 器 的理論模型 描述熱電發(fā)電器熱電轉(zhuǎn)換性能的參數(shù)主要包括輸出功率和熱電轉(zhuǎn)換效率。 導(dǎo)熱覆蓋基板的材料是氧化鋁陶瓷，有效熱導(dǎo)率 λ c 1（ 20 W/m.℃ ～ 30 W/m.℃ ），這里設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)依次遞增 λ c 1 = 5 W/m.℃ （存在接觸間隙） 導(dǎo)熱覆蓋基板厚度取： l c1 = 1 mm 16 導(dǎo)熱覆蓋基板的面積?。?A c1= 100mm*100mm 導(dǎo)流片的材料是銅 , 有效熱導(dǎo)率 λ c 2 = 401W/m.℃ （查自《傳熱學(xué)》趙鎮(zhèn)南 高等教育出版社 P492 附錄 3） 導(dǎo)流片厚度?。?l c2= 1 mm 導(dǎo)流片面積取 : A c2= 21mm*1mm 電偶臂材料是 Bi2Se3，有效熱導(dǎo)率 λ c 3 = 140 W/m.℃ 電偶臂厚度?。?l c3= mm 電偶臂面積取 : A c3= 3mm*3mm 所以： K c1 = = 50 W/℃ K c2 = = W/℃ K c3 = = W/℃ Kａ = = W/℃ 傅立葉效應(yīng) Qk= (ThTc) = K T 設(shè)：熱端溫度啟始為 800℃ 冷端溫度為 20℃ 所以： Qk總 = Kａ T總 = W/℃ * 780℃ = W Qk1= K c1 T1 = Qk2= K c2 T2 = Qk3= K c3 T3 = Qk總 = 所以： T1 = ℃ T2 = ℃ T3 = ℃ 17 單個電偶臂的功率計(jì) 算和效率計(jì)算 全套圖紙及更多設(shè)計(jì)請聯(lián)系 ： 360702501按照牛頓熱力學(xué)定律，熱電發(fā)電器電偶臂兩端存在溫差時，產(chǎn)生熱流。 與此相類似的還有南加州大學(xué)的方案，他們運(yùn)用的也是 Swills Roll 的結(jié)構(gòu)，是名叫 Microfire 的微型電源系統(tǒng)，他是用電化學(xué)微機(jī)械加工技術(shù)（ EFAB）將微燃機(jī)。測試結(jié)果表明，每個長、寬、高分別為 450μm, 100μm, 的熱電偶在兩種薄膜材料內(nèi)的塞貝克電壓都可以達(dá)到 。其原理是：根據(jù)塞貝克效應(yīng)，當(dāng)發(fā)電器熱端和冷端存在溫差時，會在回路中產(chǎn)生電流。 當(dāng)然發(fā)電器的結(jié)構(gòu)還有很多，如自停止多晶硅金屬結(jié)構(gòu)微熱電發(fā)電器等等，但是就 我們目前的選取的幾種經(jīng)過上述分析比較得出的結(jié)果是：微卷式熱電轉(zhuǎn)換器熱損失比較小，對熱能的利用率比較高，但其微加工比較困難；同時由于熱電材料沿溫度梯度方向線性串聯(lián)排列，每一部分熱電材料的溫差事實(shí)上不大，使其產(chǎn)生的功率也受到了限制。微卷式（ SwissRoll）熱電轉(zhuǎn)換器熱損失比較小，對熱能的利用率比較高，但其微加工比較困難所以沒有采用。 由前面的理論分析知道，選用的熱電材料賽貝克系數(shù)越高越好，同時，也希望該材料能耐高溫（溫差越大，熱電材料的賽貝克電壓就越大）。 （ 2） 熱電材料的選用與電偶臂的制作 和普通熱電發(fā)電器熱電材料制作工藝一樣，將碲化鉍材料以及一些添加劑按照一定比例配方，在 920K 以上的高溫下融化，再進(jìn)行晶棒的拉制，切片，晶粒的切割等工藝，從而得到我們所需要的 PN 熱電電偶臂顆粒。此時用高溫硅膠把發(fā)電器四周封合固化，以起到保護(hù)作用。 具體硅模工藝如下：根據(jù)設(shè)計(jì)的熱電發(fā)電器，制作出掩模膠片，用于光刻膠曝光。兩面的方形槽呈間隔排列。 通過圖形表示。 在該公司購買的金屬軟管的長度可以根據(jù)自己的需求設(shè)定，在這里軟管的長度盡量可以選的短一點(diǎn)以節(jié)約空間，另外在汽車排放尾氣管道上加工一定量的螺紋以連接該金屬軟