摘 要

能源节约与社会发展的矛盾日益突出, 而科学技术的发展却让人们越来越离不开能源。我国惊人的汽车产量消耗大量能源，废热废气对环境造成污染。研究车用中温热电器件的内部传热，并分析其对热电器件性能的影响，不仅对汽车充分利用燃料能源具有重大意义，对集热器的推广和扩大使用也有深刻意义，也能更好的回收利用工业废热余热。本文主要通过分析热电器件内部热传导、自然对流和热辐射三种传热方式的原理，研究热电器件中对三种传热方式产生影响的因素，计算通过这三种传热方式交换的热量，研究其对热电转换效率的影响。研究结果表明内部传热影响着热电器件的性能，热电模块的具体结构和规格对内部传热的方式也有很大影响。

关键词：温差发电技术；塞贝克效应；传热；热电器件；热电转换效率

Abstract

The contradiction between energy saving and social development is becoming more and more prominent, and the development of science and technology is increasingly dependent on energy. China's stunning auto production consumes a large amount of energy, waste heat of exhaust gas pollution to the environment. Study of vehicle with internal heat transfer to the thermoelectric device, and analyze its impact on the performance of thermoelectric devices, not only for a car make full use of the fuel energy is significant, for the promotion of heat exchanger and expand also has profound significance, but also to better recycling of industrial waste heat. This paper mainly through the analysis of thermoelectric devices internal heat conduction, natural convection and thermal radiation principle of three modes of heat transfer, on three modes of heat transfer research on the thermoelectric device factors calculated through the exchange of the three ways of heat transfer of heat to study its influence on the thermoelectric conversion efficiency. The results show that the internal heat transfer affects the performance of thermoelectric devices, and the specific structure and specifications of thermoelectric modules have a great influence on the way of internal heat transfer.

Keywords: thermoelectric generation technology；Seebeck effect； heat transfer； thermo-electric device；Thermal to electric converting efficiency

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的和意义 2

1.3 国内外研究现状 3

1.3.1 国内研究现状 3

1.3.2 国外研究现状 6

1.4 本文工作 7

第2章 热电转换理论基础 8

2.1 热电三大效应 8

2.1.1 塞贝克效应 9

2.1.2 帕尔贴效应 11

2.1.3 汤姆逊效应 12

2.2 传热学相关理论 13

2.2.1 热传导 13

2.2.2 热对流 14

2.2.3 热辐射 15

第3章 热电器件中的内部传热 15

3.1 热电器件中的热传导 16

3.2 热电器件中的热对流 23

3.3 热电器件中的热辐射 30

3.4 热电器件中的传热对器件性能的影响分析 32

第4章 结论 39

4.1 结论 39

4.2 展望 39

参考文献 40

致谢 41

第1章 绪论

• 1. 研究背景

如今社会经济的发展一日千里,能源节约与社会发展的矛盾日益突出，解决能源问题已经刻不容缓。然而，地球上一级能源的开发已经逐渐饱和，强行继续开发只会让社会发展无以为继，将来面临能源大危机。工业上需要一种廉价的环保的大量的替代能源，开发新能源都已经刻不容缓。尽管人们的节能环保意识越来越强，科学技术的发展却让人们越来越离不开能源，显然个人的节能意识对整个社会来说是杯水车薪。能源问题就像财务问题，既要节流，也要开源。

根据相关统计，近几年全球汽车产量节节攀升，2010年汽车产量比之在2009年增长了27.26%，而2010年我国的汽车产量更是增幅惊人，比之在2009年增长了32.33%。汽车工业需要消耗大量的能源,且汽车尾气是环境污染的主要来源之一,我国惊人的汽车产量使得能源消耗加剧，节能环保各项措施在此社会现实下寸步难行，汽车行业作为我国经济支柱产业责无旁贷。就目前得技术水平来说，单纯的从改善发动机性能来实现汽车的节能减排无疑这是一个困难且效果不明显的任务。汽车行业在积极的寻求能源出路，新兴的电动汽车是理想产品，但是对于长途汽车来说又属鸡肋。

在如此背景下，调解能源短缺现状与汽车工业发展的矛盾依旧刻不容缓。幸运的是，在早前的十九世纪二十年代，德国物理学家塞贝克在一次试验中偶然发现了塞贝克效应，从此打开了由热生电的历史篇章，也成立了新的科学领域—热电学。在一次为前提的随后几十年里，塞贝克效应得到全世界学者和科学家的深入研究，更发现由帕尔贴效应产生的由电制冷的空调工作原理。热电学科在学者和科学家们的不断研究试验中逐渐发展壮大起来，温差发电技术也得以推广，从最开始的仅仅供军事和航空领域使用，到后来民用领域中的太阳能集热器和空调的广泛使用，温差发电技术的理论得以发展成熟，生产成本大大降低了。如今温差发电技术正是解决汽车工业发展与能源问题的好手段。利用汽车发动机的废热余热生成电能储存起来提供动力或电力来源，不仅可以起到充分利用汽车燃料提高汽车燃油经济性的作用，又可以减少废热废气想空气中传播，减少空气中的废气污染，还可以降低废热对汽车零部件的伤害。正是有了这三条理由。汽车人投入大量的时间和精力研究车用热电器件。

1.2 研究目的和意义

相关研究表明，发动机有大约百分之七十的热量以废热的形势排出，汽车燃料的利用率仅有三分之一，其他热量通过发动机冷却水散热和高温尾气排除汽车。废热余热不仅是对日益紧张的能源极大的浪费，对汽车发动机来说更是缩短使用寿命的致命伤害。但是如果能运用温差发电技术，利用发动机和冷却水之间的温差来发电，就能回收利用热量，还能减少废热对发动机和其他汽车零部件的伤害。

废热的利用在国内外已经颇具成效。利用温差发电技术将低品位的废热，通过热电转换系统转换为高品位的电能，这其中的一套理论已经非常成熟。科学中很多著名理论和定律都是在偶然情况下发现的，塞贝克效应的发现也是如此。德国科学家塞贝克一次试验中在偶然发现处于不同温度的两种金属组成的回路会产生一个电动势，即温差电动势。自此，塞贝克效应的发现打开了热电转换学科的大门。如果说热电学是一棵枝叶繁茂的大树，那么塞贝克效应就是这棵大树最初的种子。塞贝克效应的迅速发展给了热电学科发展的无限可能。实际上，塞贝克效应是低品位的热量向高品位电能转换的一个契机。有了这个依据，人们在此基础上有了无限的发挥。温差发电技术在20世纪40年代到60年代得到了空前发展。温差发电的条件除了温度差以外还有热电材料，而且在这个由热生电的过程中不产生化学反应，也不需要流体介质。好的热电材料理论上可以使得热电转换大大提高，科学家们的视线自然而然的转向了热电材料的研究，如何有效提高热电材料的塞贝克系数成了材料科学的研究重点。