摘 要

当今社会，人口和经济不断的高速增长，能源变得越来越紧缺。热电材料作为一种新能源材料，有着很大的研究价值和发展空间。本毕业设计将通过实验和仿真两种方法，研究一种由碲化铋基热发电片组成的温差发电系统的温度场随负载变化的情况。

本温差发电系统主要由换热器、发电片、加热台、外接电路四部分构成。实验时，发电片热端加热台设定为固定温度，冷端换热器采用循环水冷，改变外接电路负载的大小，研究温差发电系统温度场的变化情况。然后采用Workbench软件中的Thermal-Electric模块和Fluent模块，对温差发电系统的温度场进行仿真分析，并与实验结果进行对比。

通过将仿真结果与实验结果进行对比分析，可以让我们发现实验和仿真过程中的一些问题，对实验中的错误和不足进行修正与弥补，对仿真中的模型和边界条件进行优化与调整。

关键词：温差发电系统；温度场；Thermal-Electric；Fluent

Abstract

In today's society, the population and the economy are growing at a high speed, and energy is becoming increasingly scarce. Thermoelectric materials as a new energy materials, has a great research value and development space. The graduation design will study the temperature field of the thermoelectric power generation system composed of Bi₂Te₃-based thermoelectric power generation with the load by experiment and simulation.

The thermoelectric power generation system is mainly composed of heat exchanger, Bi₂Te₃-based thermoelectric power generation, heater, external circuit. In the experiment, the heater under the hot end of thermoelectric power generation is set as the fixed temperature, the heat exchanger on the cold end of thermoelectric power generation adopts the circulating water cooling, changes the size of the external circuit load, and studies the temperature field of the thermoelectric power generation system. Then the Thermal-Electric module and Fluent module in Workbench software are used to simulate the temperature field of the thermoelectric power generation system and compare with the experimental results.

By comparing the simulation results with the experimental results, we can find some problems in the experiment and simulation process. The errors and shortcomings in the experiment can be corrected and compensated, and the model and boundary conditions in the simulation can be optimized and adjusted.

Key Words：Thermoelectric power generation system；Temperature field；Thermal-Electric；Fluent

目 录

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2热电效应介绍 2

1.2.1塞贝克效应 2

1.2.2珀耳贴效应 2

1.2.3汤姆逊效应 3

1.2.4焦耳效应 4

1.2.5傅里叶效应 4

1.3温差发电系统及其应用 4

1.3.1温差发电系统 4

1.3.2温差发电系统的应用 5

1.4国内外在温差发电器件优化设计方面的研究进展 6

1.4.1国内在温差发电器件优化设计方面的研究进展 6

1.4.2国外在温差发电器件优化设计方面的研究进展 7

1.5研究的基本内容及目标 8

1.6研究的技术方案及措施 8

1.6.1实验方法 8

1.6.2仿真方法 13

第2章 恒温加热台改变负载实验 14

2.1实验原理图 14

2.2实验步骤 14

2.3恒温加热台改变负载实验结果及横向分析 15

2.3.1加热台设定温度为200℃ 15

2.3.2加热台设定温度为250℃ 19

2.3.3加热台设定温度为300℃ 21

2.3.4加热台设定温度为350℃ 24

2.4恒温加热台改变负载实验结果及纵向分析 26

2.4.1四组温度下换热器上表面温度随负载变化结果及分析 26

2.4.2四组温度下发电片冷端温度随负载变化结果及分析 27

2.4.3四组温度下发电片热端温度随负载变化结果及分析 29

2.4.4四组温度下发电片温差随负载变化结果及分析 30

2.4.5四组温度下电压随负载变化结果及分析 31

2.4.6四组温度下电流随负载变化结果及分析 32

2.4.7四组温度下负载功率随负载变化结果及分析 33

第3章 温差发电系统温度场的仿真分析 35

3.1计算热流率 35

3.1.1添创建分析项目 35

3.1.2添加材料库 35

3.1.3导入模型 36

3.1.4定义材料 37

3.1.5划分网格 37

3.1.6设置边界条件 38

3.1.7求出热流率 38

3.1.8数据分析 39

3.2Fluent流场分析 41

3.2.1建立模型 42

3.2.2划分网格 42

3.2.3导入网格 43

3.2.4模型设置 43

3.2.5材料设置 44

3.2.6边界条件设置 46

3.2.7求解计算 47

3.3Thermal-Electric热电分析 50

3.3.1创建分析项目 50

3.3.2添加材料库 50

3.3.3导入模型 51

3.3.4定义材料 52

3.3.5划分网格 52

3.3.6设置边界条件 53

3.3.7求解计算 53

第4章 实验结果与仿真结果对比 58

4.1电压、电流、输出功率对比 58

4.2发电片冷热端温度、温差对比 59

第5章 小结 61

5.1实验小结 61

5.2仿真小结 61

致 谢 62

参考文献 63

第1章 绪论

1.1目的及意义

20世纪，煤、石油和天然气这三大石化能源，曾是人类社会快速发展的催化剂。但最近这些年来，人类不断地开采、滥用这些资源，加剧了石化能源危机。另外，科学家通过研究发现，燃烧石化能源，产生的二氧化硫会污染空气，对人体产生危害；产生的二氧化碳会引发温室效应，导致全球气温变暖。这一系列的危机和问题，引发了人们广泛关注和深刻思考。不少国家，包括中国在内，开始将目光转向于新能源领域。

可以这样说，哪个国家在新能源领域取得了突破，就能在世界名族之林占得优势地位，带动人类文明的巨轮向前翻滚。近年来，由于次贷危机的影响，世界经济进入了低谷期，在这样的大背景下，新能源的开发和利用给世界经济带来了转机。一旦新能源在世界范围内被广泛运用，人类社会将迈出跨时代意义的一步，不仅可以促进资源的可持续利用，还能改善世界环境、减缓温室效应。