摘 要

本文是利用有限元分析软件ANSYS中的APDL语言，对半导体热电发电器进行编程建模和仿真分析。模型由n-p型Bi₂Te₃材料组成。本次研究忽略其结构的接触电阻和接触热阻影响，研究改变热电发电器的相关结构尺寸、外部负载大小和温度差等因素，得到其输出最大功率和热电转换效率，同时观察器件内部温度分布的情况。仿真结果表示，随着热电发电器的臂长、横截面长宽比、温度差和外载大小的改变，器件的最大功率会上升到达一个顶峰后开始下降。最后将热电发电器模型模拟在输油管道的分热流场中，仿真分析其内部的温度场分布和功率情况。

关键词：热电发电器、半导体、ANSYS仿真分析、最大功率

Abstract

This paper used APDL of software ANSYS, creating the semiconductor thermoelectric generator model and simulation analysis.The model consists of n-p type Bi₂Te₃ material composition.This study ignored the influence on contact resistance and the contact thermal resistance of structure.This paper studied the change of thermoelectric generator related structure factors such as structure size, the external load and temperature difference, getting the maximum power output and the thermoelectric conversion efficiency. And we can get the temperature distribution inside the device.The simulation results said that with the changing of the arm length of thermoelectric generator, cross-sectional aspect ratio, temperature difference and the outside load, the maximum power of the device will rise began to decline after reaching a peak. Finally putting the thermoelectric generator model simulation in the pipeline of heat flow field.At the same time obversing the simulation analysis of the internal temperature field and power status.

Keywords: Thermoelectric generator; Semiconductor; The simulation analysis; The most powerful;

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 国内外相关研究现状 1

1.2 论文工作目的及意义 2

1.3 论文主要研究内容 2

第2章 ANSYS有限元分析软件介绍 3

2.1 ANSYS软件基本介绍 3

第3章 热电相关基本理论 4

3.1热电材料 4

3.2 热电发电原理 5

第4章 利用ANSYS对多偶热电发电器仿真分析 7

4.1半导体材料选择 7

4.1.1 当Bi₂Te₃作为n型半导体材料时的热电属性 7

4.1.2 当Bi₂Te₃作为p型半导体材料时的热电属性 8

4.2 模型参数化建模 9

4.3 仿真结果分析 13

4.3.1 负载R0变化对发电器性能的影响 13

4.3.2 半导体臂长H变化对发电器性能的影响 14

4.3.3 半导体臂之间的间距D变化对发电器性能的影响 15

4.3.4 半导体臂长宽比B变化对发电器性能的影响 17

4.3.5 导电体厚度T1变化对发电器性能的影响 18

4.3.6 热端温度TH变化对发电器性能的影响 19

4.3.7 低端温度TC变化对发电器性能的影响 20

4.3.8 负载R0在不同高温TH下变化对发电器性能的影响 22

4.3.9 臂长H 在不同高温TH下变化对发电器性能的影响 23

4.3.10 小结 24

第5章 模型应用于输油管道仿真分析 26

5.1 应用模型结构 26

5.2 模型的仿真分析 27

5.2.1 模型建模仿真 27

5.2.2 模型结果分析 29

5.3 小结 29

第6章 结 论 30

参考文献 31

致 谢 32

附录A 33

多偶热电发电器程序 33

第1章 绪 论

能源问题和污染问题如今备受人们的关注。人类对一次能源的过度开采以及不合理的利用，使得地球上能源匮乏，污染问题十分严重。每个国家对新能源的研究也变得十分看重，大力开发洁净能源。热电发电器就是直接将热能转换为电能，是一种绿色电源。我国在热能方面资源丰富，很多地区常年能收集丰富的太阳能，还有废热能源如工厂废热，汽车废热等，如果将这能源好好利用，这将对能源问题和污染问题有很好的减缓。热电发电器具有体积小、结构简单、无噪音、无污染、易控制等优点^[1]。很多国家、企业都对其进行研究利用，应用于多个领域。

1823年，德国物理学家塞贝克(Seebeck)发现：两种不同金属通过接触形成的回路，若在其两端施加高温Th和低温Tc形成温差，在回路中就会产生电势，即塞贝克效应（Seebeck effect）^[2]。1834年,法国科学家Peltier发现，当电流通过由两种不同金属构成的回路时, 在结点处会出现吸热或放热，这种现象即帕尔贴效应 ^[3]。由于当时人们主要研究金属材料，而金属材料热电性能较差，导致热电器件的研发进展很慢。到20世纪50年代初，前苏联的著名半导体学家A. F. Joffe发现，比之金属或合金，在掺杂半导体内的热电效应有数量级的增强^[4]。通过这种效应利用半导体在热电器件的研发上有很大的推进。

1.1 国内外相关研究现状

国外的Seiko 仪器公司研制了应用于手表的微型温差电池^[5]，这种电池通过人的体温来发电。美国NAP-3B同位素温差发电器于1961年6月投入美国SNAP-3A能源系统中使用，用于木星、土星探测器上，发电效率为5.1%，输出功率达155 W ^[6]。德国斯图加特大学用体硅微加工技术, 制造In -Plane型微热电发电器件,10K的温差热电功率可达1.5μW^[7]。1980 年代初，美国完成了500~1000W军用温差发电机的研制，80年代末正式投放于部队^[8]。Matthew Lyle设计、开发、制造和测试一个100 瓦特方钴矿热电发电机^[9]。1998年,日产汽车公司发布了SiGe材料的35.6W 系统。

国内在热电发电器研究方面起步比较迟，目前主要在发电应用方面的研究。韦节廷，熊林常，李挺力等^[10] 研究设计电锻煤炉余热使热电发电器发电，得到很好的经济效益。电子科技大学李影,曾葆青,赵媛媛等^[11]利用ANSYS软件进行分段温差电单偶带接触层的模型仿真分析，通过优化元件得到最大热电转换效率。同时分析热电转换效率受接触电阻和接触热阻的影响，得到电臂的分界面温度。任保国,彭磊,张建中等^[12]利用ANSYS软件分析了PbTe/BiTe 分段温差电元件。仿真结果表明，分段温差电单偶能有效提高温差电池的热电转换效率。

1.2 论文工作目的及意义

本文利用ANSYS软件对热电发电器进行模拟仿真，得到发电器件的温度分布场。研究影响热电发电器效率和功率的因素，通过APDL语言参数化建模，对热电发电器的尺寸、温度等影响因素进行优化。最后将热电发电器模拟应用到现实场景中，分析热电发电器在应用中利用余热资源发挥的作用，对资源利用方面有很大的意义。

本文是基于ANSYS软件平台下的APDL编程语言进行的，APDL作为ANSYS的二次开发工具，有很重要的实用价值，体现在以下方面：

（1）通过APDL语言参数化编程，在后期的分析中十分方便修改各个参数的数值、优化模型，比人机界面操作快速便捷；

（2）能够快速的得到模型中的结果如电流、电压、功率和效率等数据；

（3）能够直观的得到温度分布场图形，同时能够将图形中的数据以列表的方式输出，对于使用者来说十分方便。

1.3 论文主要研究内容

本文主要研究内容包括以下几个方面：