余熱發(fā)電系統(tǒng)完整論文

1.1課題研究的背景 11.2課題研究的意義 21.3國內(nèi)外余熱發(fā)電的研究現(xiàn)狀 22.1余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理 42.1.1余熱發(fā)電器的原理 42.1.2塞貝克效應(yīng) 42.1.3帕爾帖效應(yīng) 52.1.4湯姆遜效應(yīng) 62.2余熱發(fā)電器的理論模型 72.3余熱發(fā)電系統(tǒng)的理論計(jì)算 72.3.1余熱發(fā)電系統(tǒng)溫度梯度的計(jì)算 72.3.2單個(gè)電偶臂的功率計(jì)算和效率計(jì)算 92.3.3余熱發(fā)電系統(tǒng)的功率與效率的理論計(jì)算 103.1熱電發(fā)生器結(jié)構(gòu)分析 123.2.1美國普林斯頓大學(xué)研究的方案 123.2.2美國普林斯頓大學(xué)研究的方案 133.2.3熱電堆式熱電發(fā)電器 143.2余熱電發(fā)電器模塊的設(shè)計(jì) 153.2.1通氣管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 163.2.2通水管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 163.2.3余熱發(fā)電器的設(shè)計(jì).........................3.2.4余熱發(fā)電器的結(jié)構(gòu)制作 173.2.5余熱發(fā)電器的工藝設(shè)計(jì).....................3.3余熱發(fā)電器模塊的固定框架設(shè)計(jì).................3.4余熱發(fā)電器模塊和固定框架裝配.................3.5余熱發(fā)電器模塊之間的連接部件.................錯(cuò)誤！未定義書簽。錯(cuò)誤！未定義書簽。錯(cuò)誤！未定義書簽。錯(cuò)誤！未定義書簽。I11.1我國建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的現(xiàn)狀不容樂觀，進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)繼續(xù)保持了快速發(fā)展的勢(shì)頭，取得了有目共睹的偉大成就，也遭遇前所未曾有過的資源約束和環(huán)境制約。針對(duì)這些情況，中央適時(shí)地提出了建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好性社會(huì)等一系列新的觀念和決策。節(jié)約型社會(huì)目的是通過“加快建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)，推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。解決全面建設(shè)小康社會(huì)面臨的資源約束和環(huán)境壓力問題。保障國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速協(xié)調(diào)健康發(fā)展(國辦發(fā)(2004330號(hào)文件)，強(qiáng)調(diào)在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的同等重要性，要求經(jīng)濟(jì)效率和環(huán)境保護(hù)并駕齊驅(qū)。要求人類發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟(jì)，追求以節(jié)約資源、能源和減少污染為前提的生念經(jīng)濟(jì)效率，要求人類在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)凋統(tǒng)一。目前，建沒節(jié)約型社會(huì)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(huì)建設(shè)的深入發(fā)展。在現(xiàn)在這個(gè)飛速發(fā)展的社會(huì)中交通無疑是很重要的一塊，而汽車、飛機(jī)、船舶等交通運(yùn)輸工具又是不可或缺的，而發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車、飛機(jī)、船舶等交通運(yùn)輸工具的核心部件，其應(yīng)用范圍非常廣泛。隨著人類社會(huì)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)量急速增加。以汽車為例，2005年汽車保有量達(dá)3300萬臺(tái)，預(yù)計(jì)2010年將超過7000萬臺(tái)。與之相對(duì)應(yīng)的是發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量的劇增和廢熱的大量排放。調(diào)查研究表明，發(fā)動(dòng)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。其它的能量被排放到發(fā)動(dòng)機(jī)體外，僅由排氣帶走的熱量就占進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料所產(chǎn)生熱量的30％～45％。這一方面造成了較大的能源浪費(fèi)，另一方面使周邊環(huán)境溫度升高，帶來了城市的熱島效應(yīng)等不良影響。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(shí)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。此外，河水水溫上升給一些致病微生物造成一個(gè)人工溫床，使它們得以滋生、泛濫，引起疾病流行，危害人類健康。隨著人口和耗能量的增長，城市排入大氣的熱量日益增多。按照熱力學(xué)定律，人類使用的全部能量終將轉(zhuǎn)化為熱，傳入大氣，逸向太空。這樣，1使地面反射太陽熱能的反射率增高吸收太陽輻射熱減少沿地面空氣的熱減少，上升氣流減弱，阻礙云雨形成，造成局部地區(qū)干旱，影響農(nóng)作物生長。近一個(gè)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。造成熱污染最根本的原因是能源未能被最有效、最合理地利用。在其它工程機(jī)械、船舶、飛機(jī)運(yùn)輸工具中，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)能量的利用效率也存在同樣的效率低、能源浪費(fèi)等問題。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。反之，能源不足就會(huì)影響國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，甚至?xí)斐删薮蟮膿p失。據(jù)分析，由于能源不足所引起的國民經(jīng)濟(jì)損失，約為能源本身價(jià)值的20到60倍。由此可見，不論哪個(gè)國家哪一個(gè)時(shí)期，若要加快發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)，就必須保證能源消費(fèi)量的相應(yīng)增長。目前，我國正處于改革開放的前期階段，要盡快發(fā)展社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)，除了其他的必要條件外，還必須重視能源這一重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，能源是我國更好地進(jìn)行社發(fā)濟(jì)的關(guān)鍵。一方面要增加能源的采集，另一方面還要注重提高能源的利用率。1.2節(jié)能與環(huán)保是21世紀(jì)人類面臨的嚴(yán)重問題。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。同時(shí),通過節(jié)能可以節(jié)約大量燃料,對(duì)于降低我國在二氧化碳,二氧化硫和氮氧化物的排放都具有直接的影響。我國在各種工業(yè)過程中存在大量的熱能浪費(fèi)現(xiàn)象,發(fā)展各種環(huán)境友好的節(jié)能技術(shù),是十分重要的。本課題的意義在于：一方面不僅提高了對(duì)能源的利用率，節(jié)約了能源，另外一方面也減少了對(duì)大自然的熱污染，保護(hù)了環(huán)境。1.3目前在微小型熱電發(fā)電器的研究方面，國外對(duì)微型熱電發(fā)電機(jī)研究比較完善的有Princeton大學(xué)、南加州大學(xué)和Michigan大學(xué)。美國USC空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室于2000年推出微型熱電發(fā)電機(jī)（Micrre），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*輸出電壓2達(dá)到250mV。美國和日本是目前國際上對(duì)熱電材料與工程研究投入最多的國家。美國的研究主要側(cè)重于軍事、航天、理論和高科技方面日本的研究側(cè)重于廢熱利用，同時(shí)相應(yīng)地著力于耐高溫的陶瓷溫差電材料的研究在大尺寸的范圍，熱電發(fā)電裝置已經(jīng)取得實(shí)際的應(yīng)用。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(gè)方面,互相可逆。可同一個(gè)PN結(jié),若施加溫差則可用來發(fā)電,若對(duì)其通電,則可用于在一端致冷。國內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體致冷現(xiàn)象和應(yīng)用研究具有一定水平,目前已有商品器件和設(shè)備出售,但對(duì)溫差發(fā)電,則幾乎是一片空白.這主要是因?yàn)槲覈谲娛赂呒夹g(shù)研究能力方面相對(duì)落后,未能刺激起足夠的需求.隨著國際學(xué)術(shù)交流的廣泛開展,國內(nèi)不少學(xué)者到國外接觸了相關(guān)技術(shù),相信我國在這一領(lǐng)域相對(duì)落后的面貌將逐漸改觀.322.12.1.1余熱發(fā)電器主要是利用熱電材料的熱電效應(yīng)產(chǎn)生電流而工作的。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，它包括塞貝克(Seebeck)效應(yīng)，帕爾帖(Peltier)效應(yīng)和湯姆遜(on)效應(yīng)。這三個(gè)效應(yīng)通過開爾文(lvin)關(guān)系式聯(lián)系在一起。這三個(gè)效應(yīng)奠定了熱力學(xué)熱電理論發(fā)展的基礎(chǔ)。熱電效應(yīng)還伴隨產(chǎn)生了其它效應(yīng)：焦耳熱效應(yīng)和傅立葉效應(yīng)。下面分別介紹熱電發(fā)電器的基本理論。2.1.21821年法國物理學(xué)家T.J.Seebeck在考察--回路的電磁效應(yīng)時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中有熱電流產(chǎn)生，這就是Seebeck效應(yīng)如圖所示4不同導(dǎo)體材料,a.b兩端節(jié)點(diǎn)存在溫差⊿T時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生Seebeck電勢(shì)⊿V，定義Seebeck電勢(shì)率α當(dāng)⊿T→0時(shí),寫成:αab=dVt （2－1）αab稱為塞貝克系數(shù),其符號(hào)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)。2.1.31834年,法國物理學(xué)家C.Peltier觀察到當(dāng)電流通過兩個(gè)不同導(dǎo)體的節(jié)點(diǎn)時(shí)，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(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)變冷，而當(dāng)電流反向的時(shí)候，結(jié)點(diǎn)溫度會(huì)變熱。Lenz于1838年給出Peltier效應(yīng)的本質(zhì)特征。Peltier效應(yīng)顯示出熱電致冷的可能性。Peltier效應(yīng)表明，流經(jīng)兩種不同的導(dǎo)體組成的回路的結(jié)點(diǎn)的微小電流會(huì)產(chǎn)生可逆的熱效應(yīng)，在時(shí)間dt內(nèi)其熱量dQp的大小與流過的電流I成正比：dQp=πabIdt=πabq （2-2）比例系數(shù)πab稱為Peltier系數(shù)，也叫Peltier電勢(shì)，q是傳輸?shù)碾姾?。?dāng)電流由a到b, πab為正，dQ>0,吸熱：反之則放熱。πab的大小與節(jié)點(diǎn)溫度及熱電偶組成材料有關(guān)。Peltier效應(yīng)產(chǎn)生的原因是位于節(jié)點(diǎn)兩邊材料中載流子濃5度與Fer能級(jí)不一樣，當(dāng)電流通過節(jié)點(diǎn)時(shí)，為了維持能量和電荷守恒必須與環(huán)境交換能量。2.1.41854on發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流通過一個(gè)單一導(dǎo)體，且該導(dǎo)體中存在溫度梯度，就會(huì)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。on熱與通過的電流，經(jīng)歷的時(shí)間成正比，假定溫度梯度較?。篸QTIdT/dx （2－3）比例系數(shù)τ為湯姆遜（Thomson）系數(shù)。符號(hào)規(guī)則與Peltier效應(yīng)相同，當(dāng)電流流向熱端，dT>0，τ>0，dQ>0，吸熱。三個(gè)熱電系數(shù)可以通過開爾文（Kelvin）關(guān)系式聯(lián)系起來：T為絕對(duì)溫度。從上兩項(xiàng)關(guān)系式可導(dǎo)出單一材料的Seekeckon系數(shù)的關(guān)系：從該關(guān)系式看出，如果知道Thomson系數(shù)，就可以通過積分得到的單一材料的Seebeck系數(shù)?？梢?，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)。根據(jù)電導(dǎo)，熱導(dǎo)的通常定義，可把這種熱—電偶合效應(yīng)表示為：矩陣表示形式為：6式中， ，分別是電流，熵流和熱流密度， ，以及Tebeck2—6a)表明了材料存在溫度差，則可以產(chǎn)生電流；反之，式(2—6b)顯示了電流可以在材料中產(chǎn)生熱流。2.2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。對(duì)微小型熱電發(fā)電機(jī)而言，還有質(zhì)量（體積）比功率（或稱為輸出能量密度）等性能指標(biāo)。對(duì)普通尺寸熱電發(fā)電器，一般按照?qǐng)D2－2這種一對(duì)P、N電偶臂簡化模型進(jìn)行分析計(jì)算。理想模型主要包括導(dǎo)熱覆蓋基板、導(dǎo)流層和電偶臂三部分。當(dāng)電偶臂兩端存在溫差時(shí)，P、N結(jié)兩種不同熱電材料將產(chǎn)生塞貝克（Seebeck）效應(yīng)，故而在回路中產(chǎn)生電流。2.32.3.1圖2－2為理論的一對(duì)PN電偶臂熱電發(fā)電器結(jié)構(gòu)。一對(duì)PN電偶臂熱電發(fā)電器主要包括電絕緣導(dǎo)熱覆蓋片、導(dǎo)流銅片和焊料層。導(dǎo)熱覆蓋片為高導(dǎo)熱率的絕緣片，冷熱端的材料、尺寸一樣，則可以得到三者的熱導(dǎo)率分別為：Kc1=Kc2=Kc3=（2－8）容易推得總的熱導(dǎo)率為：7式中：

Kａ= （2－9）λc1－導(dǎo)熱覆蓋基板有效熱導(dǎo)率；λc2－導(dǎo)流片的有效熱導(dǎo)率；λc3－電偶臂有效熱導(dǎo)率；lc1－導(dǎo)熱覆蓋基板厚度；lc2－導(dǎo)流片厚度；lc3－電偶臂厚度；Ac1－導(dǎo)熱覆蓋基板的面積；Ac2－導(dǎo)流片的面積；Ac3－電偶臂面積；Kc1－導(dǎo)熱覆蓋基板導(dǎo)熱率；Kc2－導(dǎo)流層導(dǎo)熱率；Kc3－電偶臂導(dǎo)熱率。導(dǎo)熱覆蓋基板的材料是氧化鋁陶瓷，有效熱導(dǎo)率λc1（20W/m.℃～30W/m.℃），這里設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)依次遞增λc1=5W（存在接觸間隙）導(dǎo)熱覆蓋基板厚度取：lc1=1mm導(dǎo)熱覆蓋基板的面積?。篈c1=100mm*100mm導(dǎo)流片的材料是銅,有效熱導(dǎo)率λc2=401W（查自《傳熱學(xué)》趙鎮(zhèn)南高等教育出版社 P492 附錄3）導(dǎo)流片厚度取：lc2=1mm導(dǎo)流片面積取:Ac2=21mm*1mm電偶臂材料是2Se3，有效熱導(dǎo)率λc3=140W電偶臂厚度取：lc3=16.4mm電偶臂面積取:Ac3=3mm*3mm所以：Kc1==50WKc2==8.421W8Kc3= =0.077WKａ==0.076W傅立葉效應(yīng) ()=KT設(shè)：熱端溫度啟始為800℃ 冷端溫度為20℃Kａ=0.076W*780℃=10.184WKc1=Kc2=Kc3==10.184W所以： =0.2℃ =1.2℃ =132.3℃2.3.2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(shí)，產(chǎn)生熱流。電偶臂從熱源吸收的熱量為帕爾特?zé)帷⒔苟鸁岷蛡鲗?dǎo)熱三部分之和，即：式中：η－發(fā)電效率；P－輸出到負(fù)載上的電能；I－回路中產(chǎn)生的電流；Qh－熱端的熱流；Ql－低溫?zé)嵩磸牡蜏囟宋盏臒崃?；RL－負(fù)載電阻；R －電偶臂的內(nèi)阻；α－塞貝克（Seebeck）系數(shù)；K －熱傳導(dǎo)系數(shù)；′－熱源溫度；9′－冷源溫度。由電流回路，消除未知量電流I，可以得到發(fā)電器的輸出功率P為：（2－12）由上述三式可得到熱電發(fā)電器的轉(zhuǎn)換效率為:上述公式中，內(nèi)阻R為P、N半導(dǎo)體電偶臂的電阻，其計(jì)算公式為:（2－14）式中：ρN－N型電偶臂電導(dǎo)率；LN－N型電偶臂臂長；AN－N型電偶臂截面積；ρP－P型電偶臂電導(dǎo)率；LP－P型電偶臂臂長；P－P型電偶臂截面積。ρN＝ρP＝5根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出L/A＝0.55mmαNP=－200（μv/℃） R＝0.00275?′＝800℃－0.2℃－1.2℃＝798.6℃2＝798.6℃－132.3℃＝666.3℃當(dāng)RL＝R時(shí)，功率最大所以： 2.3.3熱電發(fā)電器電偶臂截面尺寸為16.19910對(duì)。選擇開始水溫為：20℃ 水的流量為：q＝v*s 末溫為25℃選擇尾氣溫度為：800℃ 尾氣的流速為：v＝3末溫為100℃水的比熱C1＝4200j/kg*℃ 尾氣的比熱C2=1003j/kg*℃水的密度ρ1＝1000kg/ 尾氣的密度ρ1＝1.29kg/假設(shè)：忽略熱的損耗，則 水＝氣＝ρ*ρ*v*s*t*設(shè)： S水道＝S氣道 t1＝t2則 1*ρ1*q1*1＝2*ρ2*v2*2現(xiàn)在假設(shè)有三個(gè)模塊組成余熱發(fā)電系統(tǒng) 52.8W=CM C ρ V ρ v s（通氣管道截面積）t選擇尾氣溫度為：800℃ 末溫為100℃尾氣的比熱C2=1003j/kg*℃ 尾氣的密度ρ1＝1.29kg/尾氣的流速為：v2＝1s t= = =0.104ss（通氣管道截面積）=0.1 0.1=0.01=700℃=CM C ρ V ρ v s t 2825.8W ==1133.1歸納起來在目前研究和應(yīng)用比較普遍和成功的結(jié)構(gòu)上，熱電發(fā)電器主要有微卷式，熱電堆和薄膜熱電發(fā)電器等等幾種結(jié)構(gòu)。我們?cè)谶@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。3.2.1在此裝置中，雙盤旋的管道是燃?xì)饣瘜W(xué)反應(yīng)的場所，所以稱為SWISS我們也稱為微卷式電熱發(fā)生器，他的尺寸大小大約為12.12.為氧化鋁陶瓷，通過Daestro微加工方法實(shí)現(xiàn)三維實(shí)物，管道寬度為0.燃料和空氣由泵注入通道，在Swissl中心通過兩個(gè)電極點(diǎn)燃，引發(fā)燃料的持續(xù)燃燒．燃料燃燒后的廢氣通過管道排出。普林斯頓大學(xué)研究了包括氫、甲烷、甲醇和乙醇等燃料，由于大部分的燃料進(jìn)行持續(xù)催化燃燒需要一定的初始溫度（300oC以上）才能持續(xù)燃燒，需要通過其他熱源進(jìn)行預(yù)熱，其中氫氣可在室溫下開始催化反應(yīng)．研究還表明在300oC以上時(shí)，氫氣和空氣的混合氣可以在較大范圍的比例下反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量從2瓦到12毫瓦的燈泡。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Swillsl的結(jié)cro-fire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)。微熱發(fā)電機(jī)和熱交換器集成在一個(gè)微器件中。他們?cè)O(shè)計(jì)了微型和中型的兩種方案，如下圖12這就是這種SwissRoll的2維和3維的結(jié)構(gòu)模型。研究人員通過控制氣體燃料的流入來改變火焰燃燒溫度，采用熱電偶測定發(fā)電器不同位置的溫度，并通過氣相色譜儀分析燃燒后的氣體成分來進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)電器中，微型和中型燃燒器的管徑分別問0.13mm和3mm,分別研究了低速流動(dòng)、長時(shí)間停留、低溫，高速流動(dòng)、短時(shí)間停留、高溫兩種情況，獲得了詳細(xì)的無焰燃燒可持續(xù)進(jìn)行的溫度范圍，以及在結(jié)構(gòu)中的溫度分布仿真。得到的仿真結(jié)果如圖3-3所示。實(shí)驗(yàn)研究還表明，三維的Swissl結(jié)構(gòu)能減少熱量的損失3.2.2這是由德國斯圖加特大學(xué)研制的In-ane微型熱電發(fā)生器，如下圖In-Plane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。英國Cardiff大學(xué)的熱電研究中心先后采用藍(lán)寶石上的硅膜和石英上的多晶硅膜作為熱電材料，制作了為心臟起搏器供電的微型熱電發(fā)電器件。其測試器件大小為：5mm*10mm*0.45mm，為了測試的目的，內(nèi)含不同數(shù)量和尺寸的熱電臂。測試結(jié)果表明，每個(gè)長、寬、高分別為450μm,100μm,0.4μm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0.5mV/K左右。使用熱導(dǎo)率較低的石英時(shí)，由于襯底熱泄露大大降低，器件能量轉(zhuǎn)換效率可提高50倍,德國斯圖加特大學(xué)用晶體硅微加工技術(shù)，制造了橋結(jié)構(gòu)的In-Plane型微熱電發(fā)電器件。其測試器件由硅材料構(gòu)成，P型和N型的熱電臂長寬分別為500μm和7μm，通過在中間10μm厚的硅薄膜上摻雜形成，摻雜深度為lμm，熱電偶連接的數(shù)量有10個(gè)。13這種結(jié)構(gòu)用襯底的垂直側(cè)面提供溫差，因而襯底內(nèi)部與熱電臂平行的熱流損失得到了降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為，襯底垂直側(cè)面溫差為10K時(shí),器件的熱電功率達(dá)到1.5μm。3.2.3它是由美國噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（JPL）研制的oss-ane。如下圖這種器件的結(jié)構(gòu)和普通的Cross-ane型微熱電制冷器件是一樣，oss-ane結(jié)構(gòu)微熱電制冷器件的原理和傳統(tǒng)的體熱電制冷器件非常類似，只是襯底和熱電偶臂本體半導(dǎo)體材料換成了薄膜材料，由于在這種結(jié)構(gòu)的制冷器中，熱流的方向與襯底表面垂直故有如此稱呼。兩層襯底為發(fā)電器的冷端和熱端中間夾著連接在一起的熱電偶。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(shí)，會(huì)在回路中產(chǎn)生電流。他們擯棄了體技術(shù)，而采用了厚3合金材料，在保持熱電臂截面積與長度之比不變的條件下，縮小熱電臂，提高了熱電功率單位體積內(nèi)的密度。同時(shí)，一個(gè)微熱電發(fā)電器件連接數(shù)萬個(gè)熱電偶，以在低溫差下獲得伏特級(jí)的高電壓，此微熱電發(fā)電器件的另一特點(diǎn)是，其制造工藝結(jié)合了電化學(xué)淀積和集成電路的刻蝕工藝。實(shí)際的測試器件由2300個(gè)熱電偶連成，熱電臂的長度為50μ直徑為6μ在8.5K溫差下，可以以4.1V的電壓提供22mw的功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以上方法完全可以用于正在研究用P型和N2T3,納米線代替厚膜合金，便用類似的方法實(shí)現(xiàn)更小尺寸的半導(dǎo)體電偶臂。14JL的ross-lane微熱電發(fā)生器件雖然能達(dá)到很高的功率密度值但是某些應(yīng)用場合卻需要更低的微瓦級(jí)功率，如小型傳感器和放大器線路的供電。另外這種Cross-ane結(jié)構(gòu)固有的缺點(diǎn)就是，熱電偶臂之間的金屬導(dǎo)流層不容易制造。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(duì)熱能的利用率比較高，但其微加工比較困難；同時(shí)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。薄膜式熱電發(fā)電方案從微加工技術(shù)方面來說是比較成熟的，其體積尺寸也比較?。洚a(chǎn)生的功率普通較低，一般只有微瓦級(jí)熱電堆的PN結(jié)相對(duì)于溫度場是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，每一對(duì)PN結(jié)均有相同的溫差，故每一對(duì)PN結(jié)串聯(lián)后，產(chǎn)生的功率相對(duì)較大另外，其熱源腔可以設(shè)計(jì)得相對(duì)較大，燃料的燃燒，溫控等相對(duì)容易，但其熱損失比微卷式發(fā)電器要大。我們?cè)谶@里選擇熱電堆式熱電發(fā)生器作為熱電電源的核心部件來設(shè)計(jì)。3.2熱電堆式微小型熱電發(fā)電器主要包括上下導(dǎo)熱覆蓋片、導(dǎo)流片、焊料層、PN結(jié)電偶臂和輸出導(dǎo)線等部分。微小型熱電發(fā)電器的輸出功率和效率受到接觸內(nèi)阻、湯姆孫效應(yīng)和溫度變化的影響以及導(dǎo)熱覆蓋片、導(dǎo)流片和焊料層對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響（該設(shè)計(jì)中由于體積較大，故可忽略焊料層對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響）。熱電發(fā)電器模塊的設(shè)計(jì)主要包括水流道、氣流道和熱電發(fā)電偶臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)這個(gè)模塊的整體形狀要以熱量的最大利用為目標(biāo)。我考慮過的形狀有：微卷式（Swissl）、熱電堆和薄膜熱電發(fā)電器。微卷式（Swissl）熱電轉(zhuǎn)換器熱損失比較小，對(duì)熱能的利用率比較高，但其微加工比較困難所以沒有采用。由資料可知：薄膜式熱電發(fā)電方案從微加工技術(shù)方面來說是比較成熟的，其體積尺寸也比較小，但其產(chǎn)生的功率普遍較低，一般只有微瓦級(jí)，所以在設(shè)計(jì)中也沒有予以采用。而熱電堆的PN結(jié)相對(duì)于溫度場是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，每一對(duì)PN結(jié)均有相同的溫差，故每一對(duì)PN結(jié)串聯(lián)后，產(chǎn)生的功率相對(duì)較大，最終選擇了熱電堆式熱電發(fā)電器作為熱電電源的核心部件來設(shè)15計(jì)。設(shè)計(jì)流道是以熱量的最大利用為目標(biāo)的，所以我考慮到了“雙管形熱電發(fā)電器”和“方形熱電發(fā)電器”，雙管形熱電發(fā)電器的熱量利用率雖然比方形熱電