摘 要

近年来，可穿戴的设备发展十分迅猛，人们对高性能柔性传感器的需求也不断增加。人们希望传感设备可以轻松穿在身体或直接附着在皮肤表面,从而可以轻松地获得一系列的健康信息。一种新型的可穿戴能量收集器应运而生，其主要通过生活中常见的太阳能等产生温差，通过温差发电模块提供电能。

1．研究讨论了热电发电器的最大输出功率与能量转换效率的影响因素，构建了热电发生器的数学模型，详细叙述了热电偶对数、

2．通过有限元法的分析方法，在Ansys中构建了热电器件的模型，详细叙述了如何通过提高电偶臂的长度和提高电偶臂的截面面积来提高热电器件最大输出功率和能量转换效率的方法。

3.建立了Bi₂Te₃的数学模型，分析了在无附加热阻时汤姆孙效应对于最大输出功率和能量转换效率的影响。

关键词：热电；柔性；可穿戴；温差发电；模块

Abstract

In recent years, wearable devices have developed rapidly, and the demand for high-performance flexible sensors has also increased. People hope that the sensing device can be easily worn on the body or directly attached to the skin surface, so that a series of health information can be easily obtained. A new type of wearable energy harvester came into being. It mainly generates temperature difference through solar energy, which is common in daily life, and provides electric energy through the temperature difference power generation module.

1. The research discusses the influencing factors of the maximum output power and energy conversion efficiency of the thermoelectric generator, constructs a mathematical model of the thermoelectric generator, and details the logarithm of the thermocouple,

2. Through the analysis method of finite element method, a model of thermoelectric device was constructed in Ansys, and the method of increasing the maximum output power and energy conversion efficiency of thermoelectric device by increasing the length of the thermocouple arm and the cross-sectional area of the thermocouple arm was described in detail .

3. Established a mathematical model of Bi₂Te₃, and analyzed the influence of the Thomson effect on the maximum output power and energy conversion efficiency without additional thermal resistance.

Keywords: Thermoelectric; flexible; wearable; thermoelectric generation; module

目录

摘 要 1

Abstract 2

第一章 绪论 5

1.1背景与研究意义 5

1.2热电能量收集技术的国内外科研研究综述 6

1.2.1热电材料的回顾与发展历程 7

1.2.2国内外热电发电研究现状 8

1.2.3热电材料相关概述 8

1．3本文的研究内容 10

第二章 热电技术小功率发电机理和数值模拟方法 11

2.1热量传递 11

2.1.1热传导 12

2.1.2热对流 12

2.1.3热辐射 12

2.2热电能量收集器的工作原理 12

2.3健康监测传感器供能 13

2.4数值模拟方法 15

2.4.1数值计算原理 15

2.4.2数值计算步骤 15

第三章 热电发电的物理数学模型 16

3.1热电发电器结构及原理 17

3.2散热片动态模型 17

3.3热电发电器件的等效模型 19

第四章 热电模块数值分析 21

4.1 导体两端温差的分析 24

4.2热电单元对数对温差发电模块性能的影响 24

4.3 汤姆孙效应对热电发电性能的影响 26

4.3.1 不同工作电流下汤姆孙效应的影响 26

4.3.2 不同热端温度下汤姆孙效应的影响 29

4.4 小结 32

第五章 总结与展望 33

5.1总结 33

5.2展望 34

致谢 35

参考文献 36

第一章 绪论

本章主要介绍了热电能量收集技术在当今环境和能源局势下的研究意义与必要性，以及柔性可穿戴设备在过去几十年中的发展历程，着重讲述了各位前辈先贤在热电能量收集技术上得出的成果和分析。其中更是对国内外柔性可穿戴设备技术的科研工作进行了文献综述。最后通过在COMSOL的模拟实例中表现出该技术的应用远景、优缺点，并对在只利用太阳能的情况下，热二极管和相变储能设计，研究了建筑室内环境温度的控制效果。

1.1背景与研究意义

21世纪以来，可穿戴设电子设备的发展非常迅猛。在医疗监护等领域起着非常关键的作用。可穿戴电子设备需要电能这种高品位的能源的提供运转。目前来看，最常用的能源是可充电的的电池和电容器。电容器等这类元器件在运行一段时间后必须要经过充电或更换，这使得它很难去满足需要长时间续航领域的需求，例如军事和医疗的长时间监护过程中。因此温差发电技术这种可自给功能的技术。逐渐成为了一种为可穿戴设备持续供电的最佳选择。

自从十九世纪德国人塞贝克提出“Seebeck效应”至今，该技术的发展历程接近两个世纪的历史。然而，由于时代的局限性以及世界对之关注度不够，该技术几乎一直停留在实验室阶段，未能在“理论转化为应用”上取得突破性的发展，从而市场上鲜有应用该技术的商用产品。伴随时代的进步和能源环境格局变化，热电技术开始进入有识之士的视线。近年来的数据显示，全球使用能源组合正值急剧发生变化时期，生存环境也在应对着亘古未有的挑战！据相关调查显示，以传统化石能源为主的能源组合正在逐渐崩溃瓦解。按照当前的发展水平以及能源开采利用速度，全球现有得到化石能源只能够去使用几十年。相应地，全球以化石能源为强大动力推进人类发展进步所带来的副产品—环境污染，对人类工作和生活的负面影响日益加深，甚至达到了刻不容缓的地步。尤其是近些年来释放的氮氟化合物造成的南半球臭氧层空洞、无节制释放二氧化碳加剧全球升温冰川融化、废弃塑料制品难以自然分解等等问题已变成生存面临的重大挑战！如何减少能源消耗变成了开源节流的根本之策。我们知道，能源大部分是耗在建筑上，而我国作为发展中国家建筑能耗在这些方面尤其突出。