冷热源微小型热电电源的研究

论文摘要

随着微机电系统(MEMS)的快速发展，为MEMS提供电能的微小型功率器件(Power MEMS)逐步得到了广泛的研制。微小型热电电源是其中的一种得到开展的研究课题。本文提出了冷热源微小型热电电源方案，它是在发电器两端施加强制温差并利用热电效应将热能转换为电能的一种器件。它包括冷源、热源和微小型热电发电器三个主要部件，具有寿命长、可靠性高、无污染、安静无噪声和无可动部件等优点。本方案在国内没有看见类似报道。本文结合普通热电发电器的理论模型，考虑到汤姆孙效应、接触热阻，焊料层和导热覆盖基板等因素的影响，建立了微小型热电发电器的精确数学模型，并进行了性能优化分析。在此基础上研制了一系列的微小型热电发电器。通过对一系列不同表面积尺寸、不同对数和不同高度的微小型热电发电器进行测试分析，得到了相关的性能参数，从而得到了尺寸和性能优化的微小型热电发电器件。其次，对电源的冷源进行了研究分析。以保持冷源工作稳定和一定工作时间为目标，优化选择了冷冻冰作为冷源，并对冷源腔进行了结构优化。再次，对电源的热源进行了相关研究，分别对采用高贮能相变材料(PCM)、液体燃料和气体燃料作为热源进行了研究分析，并对放射性同位素作为热源进行了初步的探讨研究，其中，在国内首次提出用PCM作为微小型电源的热源。对微型燃烧器进行了制作和加工，初步进行了微燃烧的实验测试。这里把冷源、热源和发电器集成于一体，制作了几种不同尺寸和规格的热电电源，并测试了电源的输出功率、效率和工作时间等参数。实验测试结果表明，研制的微型热电电源达到数十毫瓦以上的功率，小型热电电源达到1.2瓦以上的功率，和部分型号现有电池比较，具有一定的优点。

论文目录

第一章绪论

1.1 引言

1.2 Power MEMS系统的研究意义

1.3 Power MEMS的研究发展概述

1.3.1 微发动机与微型燃料电池

1.3.2 微型热电发电器

1.4 微型热电发电器研究现状

1.4.1 热电材料的研究发展现状

1.4.2 微型热电发电器的研究进展与方案

1.5 微型热电发电器方案比较选择

1.6 微加工技术概述

1.7 课题研究意义

1.8 课题研究目标和内容

第二章微小型热电发电器的理论建模与仿真分析

2.1 引言

2.2 热电转换的基本理论

2.2.1 塞贝克（Seebeck）效应

2.2.2 帕尔帖（Peltier）效应

2.2.3 汤姆逊（Thomson）效应

2.2.4 焦耳效应

2.2.5 傅立叶效应

2.3 热电发电的理论模型

2.4 热电发电器功率的精确设计

2.4.1 接触区内阻的精确计算

2.4.2 导热率的精确计算

2.4.3 考虑汤姆孙效应时赛贝克系数的修正计算

2.4.4 考虑到热阻时的功率精确计算

2.5 发电器的性能优化分析

2.5.1 最大功率和效率时的负载

2.5.2 热电发电器电偶臂对数的确定和优化

2.5.3 热电发电器电偶臂长的优化

2.6 微小型热电发电器的传热仿真分析

2.6.1 传热理论基础

2.6.2 理论模型和实际模型的传热仿真对比

2.6.3 不同性能参数对发电器的影响仿真分析

2.6.3.1 焊料层对发电器性能的影响仿真

2.6.3.2 导热覆盖层对发电器性能的影响仿真

2.6.3.3 电偶臂高度对输出功率的影响仿真

2.7 小结

第三章微小型热电发电器的设计制作与性能测试分析

3.1 引言

3.2 微小型热电发电器的工艺设计与加工

3.2.1 小型热电发电器的工艺设计

3.2.2 微型热电发电器的工艺设计

3.2.3 微小型热电发电器的制作

3.3 微小型热电发电器性能参数的测量

3.3.1 电阻测量与拟合

3.3.1.1 电阻测试装置的搭建

3.3.1.2 电阻的测量与拟合

3.3.2 塞贝克系数的测量与拟合

3.3.3 导热系数的测量与拟合

3.4 微型热电发电器的性能优化分析

3.4.1 温差对输出功率的影响优化分析

3.4.2 电偶臂对数对输出功率的影响分析

3.4.3 电偶臂高度对输出功率的影响分析

3.5 微小型热电发电器的实验对照分析

3.5.1 理论模型、实际模型和实验测试的对照分析

3.5.2 发电器不同加工工艺对比测试分析

3.6 小结

第四章冷源的研究

4.1 低温相变材料作为冷源的研究

4.1.1 相变材料贮能的基本理论

4.1.2 相变贮能材料的研究概况

4.1.2.1 相变贮能材料的分类与特点

4.1.2.2 相变贮能材料的传热改进研究概况

4.1.3 低温相变材料作为冷源的选择与仿真分析

4.1.3.1 低温相变材料的选择

4.1.3.2 冷冻冰（水）作为冷源的结构设计与仿真优化分析

4.1.3.2 冷源的体积仿真分析

4.1.4 冰（水）作为冷源的实验分析

4.2 低温热管作为冷源的初步研究

4.2.1 低温热管的工作原理和实验装置实物图

4.2.2 初步实验与分析

4.3 小结

第五章热源的研究

5.1 高贮能相交材料（PCM）作为热源的研究

5.1.1 高贮能相变材料热电电源的设计

5.1.2 高贮能相变材料作为热源的仿真分析与装置的改进

5.1.2.1 相变材料在不同导热系数时的传热仿真对比

5.1.2.2 改进热源腔后的传热仿真对比

5.1.2.3 热电电源装置的优化与实物加工

5.1.3 PCM作为热源的的实验与分析

5.1.3.1 无机相变材料作为热源的实验与分析

5.1.3.2 有机相变材料作为热源的实验与分析

5.1.4 小结与讨论

5.2 化石燃料作为热源的研究

5.2.1 燃烧的基本理论

5.2.2 化石燃料的选择与燃烧器设计考虑因素

5.2.3 液体燃料燃烧器作为热源的设计与实验分析

5.2.3.1 液体燃料燃烧器的设计与改进

5.2.3.2 液体燃烧器作为热源的实验与分析

5.2.4 气体燃料扩散燃烧器的设计、建模与实验分析

5.2.4.1 气体扩散燃烧器燃烧模拟与优化设计

5.2.4.1 燃气的选择与优化分析

6.2.4.2 燃料混合气燃烧的仿真与优化分析

5.2.4.2 燃烧器材料的选择及结构优化

5.2.4.3 气体燃烧器的设计改进与制作

5.2.4.4 微型可调气体扩散燃烧器的燃烧实验与分析

5.2.5 微型平板燃烧器设计、仿真与初步实验分析

5.2.5.1 气体燃料微型平板燃烧器的设计

6.2.5.2 微型平板燃烧器的仿真分析

5.2.5.3 微型平板燃烧器作为热源的初步实验与分析

5.3 放射性同位素（RTG）作为热源的初步研究与探讨

5.3.1 放射性同位素的特点

5.3.2 放射性同位素热电电源的应用研究概况

5.4 小结

第六章热电电源的整体测试与分析

6.1 液体燃料微小型热电电源性能测试

6.1.1 液体燃料微小型热电电源的研制与结构特点

6.1.2 功率参数测试与分析

6.1.2.1 小型可调电源功率参数测试与分析

6.1.2.2 微型可调电源功率参数测试与分析

6.2 气体燃料微型热电电源性能测试

6.3 高贮能相变材料热源的小型热电电源性能测试

6.4 几种电源装置的性能对比

6.5 小结

第七章总结与工作展望

主要科研成果及论文情况

参考文献

致谢

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