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热力学视域下的半导体热电装置研究

时间:2018-08-08 来源:中国高新区 作者:王振杰 本文字数:2255字

   摘要:在众多的电能获得方式中, 利用热电效应无疑是一种能量转换效率最高的电能获得途径, 这也使热电效应、燃料电池、太阳能光伏发电被称之为21世纪最具发展潜力的三种能源技术, 通过热电效应来进行发电、供热与制冷, 不仅环保、易维护, 而且能够实现集成化与小型化, 这也使其在交通、工业、航天等诸多领域中具备其他能源装置所无法比拟的优势。为此, 本文通过对半导体热电装置进行简要的概述, 在此基础上基于热力学理论对半导体热电装置进行深入的研究。

  关键词:热力学理论; 半导体; 热电装置;

热力学论文 配图

  1 半导体热电装置概述

  热电装置是通过热电材料的内部效应来进行工作的, 通过热电装置能够对不同类型的能量进行直接转换。热电材料所具备的内部效应主要有Peltier效应、Fourier效应、Seebeck效应、Joule效应及Thomson效应, 其中, Peltier效应又被叫做逆温差电效应, 它和Seebeck效应是截然相反的, 直流电在经过两种不同导体形成的回路时, 节点会发生放热或吸热现象。而Seebeck效应则是两种不同导体形成的回路中, 当两个回路的接头温度之间存在差异时, 便会在回路中产生电动势, 而电动势在进入负载电阻后便会生成直流电。Fourier效应又叫作导热效应, Joule效应是电流在流经导体时产生的热效应。Thomson效应是电流流经温度不同的导体时, 导体不仅会产生Joule热, 同时还会放出或吸收部分热量。

  在热电效应中, 其工作的基本单元为热电单元, 热电单元是由单独的N型半导体与P型半导体利用铜片进行连接组成的, 热电模块是由多个热电单元通过串联的方式组成的, 在吸热与放热过程中这些热电单元是利用并联的方式来实现的。热电装置的工作原理是在热电单元的热端进行加热, 而将冷端进行散热, 这样热电装置的内部电路中便会产生电动势, 电动势在进入负载以后便会产生电流。相反, 如果在热电装置的热电单元中与直流电进行连接, 这时热电单元的热端便会在直流电经过时而放热, 其冷端则会吸热, 这便是热电热泵与热电制冷机的运行原理。

  2 基于热力学理论的半导体热电装置研究

  2.1 热电发电机

  基于非平衡热力学理论对热电装置中的热电发电机进行研究可以发现, 在单单元的热电发电机中, 接触电阻与接触热阻只有在电偶臂长度在2mm范围以内时才会受到明显影响, 当电偶臂的长度在1mm范围以内时, 接触电阻与接触热阻在热电效率与输出功率上都会呈现出急剧上升趋势, 而电偶臂长度在超过5mm以后, 其热阻与电阻的热电效率与输出功率便会趋于稳定, 其热电单元中的冷端与热端的温度分别是283与383K。在Z为0.024K-1时, 电偶臂的长度是2mm, 且接触电阻和接触热阻的比值为0.1:0.2时, 则它的热电效率在3.5%左右, 但在理想情况下, 其热电效率可达4.2%, 这也进一步证明了单单元热电发电机会受到接触电阻与接触热阻的影响。而在单级多单元的非平衡热力学理论分析中, 则表明, 单级多单热电发电机的性能会受到半导体热电单元尺寸、端点温差及接触热阻与接触电阻的影响。而对这两种类型的热电发电机进行有限时间热力学理论分析时, 可以得知, 在单单元热电发电机中, 其功率效率的自身特性与外部传热都会对整个发电机的性能产生影响。而在单级多单元热电发电机中, 可通过有限时间热力学理论中的有效度-传热单元法对该类发电机的流体出口温度进行计算, 此外, 单级多单元热电发电机的性能还会受受流体流率、换热器内部结构及其入口温差的影响。

  2.2 热电制冷机

  基于非平衡热力学理论对热电装置中的单单元热电制冷机进行研究, 可以利用Thomson效应对它的非平衡热力学模型进行构建, 以此计算它的最大制冷系数、最大温差及最大制冷率, 通过对这三个计算方案进行对比, 能够得出接触热阻会对单单元热电制冷机的制冷效果产生一定影响, 同时还能进一步得出如何实现热电制冷机中换热器的成本最少方案。同时, 在热电制冷机中, 热电单元与导流片之间的长面比也是影响热电制冷机的制效效果的一大因素, 可以利用温熵图分别对全铜导流片与热电材料导流片进行输入功率的对比, 结果表明热电材料导流片的输入功率要比全铜导流片的输入功率低的多, 在制冷效果上也比全铜导流片要好的多。在优化热电制冷机的制冷率方面, 可以将热电单元的长度、数量及横截面积作为变量, 采用遗传算法来对热电单元的尺寸进行优化, 以此得出最佳的热电单元尺寸, 并最终实现热电制冷机的最佳制冷率。在基于有限时间热力学的热电制冷剂研究中, 单单元的热电制冷机性能会受到热电单元尺寸因素的影响, 通过进行有限时间热力学分析, 能够得出热电制冷机在制冷率、循环工况优域及其性能系数之间的曲线关系。也可采用Thomson效应来构建热电制冷机的辐射换热与侧面对流模型, 并利用量纲一量对该模型中的最大温差、温度分布及最大制冷率给热电制冷机性能带来的影响。可以说, 在热电制冷机制冷系数的有限时间热力学理论研究中, 热电单元的热端散热器与热电材料性能是影响制冷系数的关键热力学参数。

  2.3 热电热泵

  在单单元热电热泵的热力学理论研究中, 其热泵比供热率、最大供热系数都会对单单元热电热泵的性能产生影响。而在单级多单元热电热泵中, 其在有限速率热的交换背景下, 其供热系数、供热率及电流之间是相关的, 通过这种相关性能够对热泵中的换热器换热面积及供热率密度进行优化分配, 从而达到提高热电热泵整体性能的目的。

  参考文献
   [1]陈林根, 孟凡凯, 戈延林, 孙丰瑞.半导体热电装置的热力学研究进展[J].机械工程学报, 2013, 49 (24) :144~154.
  [2]孟凡凯, 陈林根, 孙丰瑞.联合热电装置极限工作温差研究[J].热科学与技术, 2008 (03) :268~272.
  [3]何燕, 聂宏飞, 张洪兴.半导体制冷研究概述[J].科技创新导报, 2009 (24) :53~54, 56.

    论文来源参考:王振杰.基于热力学理论的半导体热电装置研究[J].中国高新区,2018(07):15.
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