《熱電轉換微能源系統中關鍵熱物理問題的研究》是依託清華大學，由李震擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：熱電轉換微能源系統中關鍵熱物理問題的研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：李震
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
熱電轉換微能源系統可實現熱、電直接相互轉換，並且具有結構簡單、無污染、無噪聲等優點，在發電、製冷、恆溫控制及溫度測量等領域有著重要的套用前景。但目前由於科學技術的限制，效率低成為制約其套用的根本原因。本課題從熱物理角度進行系統熱電性能綜合研究；找到提高熱電轉換效率的有效途徑，並進一步建立熱電轉換效率的測試評估系統。研究中擬採用飛秒雷射泵浦－探測熱反射法實現對金屬和半導體內部及不同界面的能量傳遞特性的超快探測和精確測量；採用基於數位訊號處理的虛擬鎖相技術，通過對通1-Omega交流電的熱電材料兩端1-Omega，2-Omega和3-Omega電壓成分的同時採集和分析處理，獲得熱電材料的電導率，熱導率，Seebeck係數和熱電轉換效率的優值係數，進一步開發新型虛擬鎖相熱電轉換綜合測試評價系統；在此基礎上，尋找降低系統熱損失和對系統進行整體熱管理的新方法、新結構，並對新系統進行試製和實驗分析。
結題摘要
世界範圍內能源危機和生態環境惡化催促著人們尋找新能源及能源利用新方法。熱電轉換裝置因其結構簡單、無需製冷劑、無機械傳動部分、無磨損、無噪聲、壽命長、可靠性高等優點越來越受到人們重視，並且已經廣泛套用於民用和軍用領域。而在熱電轉換微能源系統中，熱電轉換效率受熱電裝置高溫端散熱工況和材料自身熱電性能的影響較大。因此尋找新型高效散熱方式，以及開發材料熱電性能表征系統已經成為熱電轉換裝置中關鍵熱物理問題。本項目基於上述兩個關鍵熱物理問題，開展了相應研究工作。採用基於數位訊號處理的虛擬鎖相技術，通過對通1-Omega交流電的熱電材料兩端1-Omega，2-Omega和3-Omega電壓成分的同時採集和分析處理，獲得熱電材料的電導率，熱導率，Seebeck係數和熱電轉換效率的優值係數。為了解決熱電轉換裝置性能評估問題，本項目基於直流瞬態Harman法測量優值係數原理，搭建了熱電器件綜合性能表徵實驗系統，實現同時測量無量綱優值係數（ZT值）、Seebeck係數、電導率以及熱導率等熱電性能參數，並通過測試商業碲化鉍基熱電器件驗證了本實驗台測量結果的可靠性。在此基礎上，製作和改進了具有不同夾層結構的新型熱電器件，並對其開展了熱電性能評估。實驗結果表明，室溫下具有夾層結構熱電器件ZT值普遍小於常規碲化鉍純半導體器件，但是Seebeck係數卻比常規器件大；同時夾層結構熱電器件的電導率和熱導率均大於常規器件值。另外，為了探索新型高效散熱方式用於解決熱電器件熱端散熱，本項目研究了微通道內納米流體強化換熱特性，以期採用在熱電裝置熱端端面開鑿矩形微槽道，並通以水基多壁碳納米管(MWCNT)納米流體的方式解決高效熱電轉換裝置中大熱流密度散熱難題。通過實驗測量了納米流體微細管內對流換熱係數和沿程阻力特性，結果表明，納米流體能夠顯著強化對流換熱係數，並且沿程摩擦係數與去離子水的值相近，表明納米流體強化傳熱的同時泵功消耗並沒有大幅增加,具有工業套用價值。
