半导体温差发电装置的研制

论文摘要

半导体温差发电器是一种通过半导体热电器件把热能转换为电能的电源装置。这种电源装置具有体积小、能量密度大、寿命长、无机械运动部件、高度可靠等优点,它能够胜任一些普通电源无法胜任的工作。根据半导体温差发电器的组成结构,本文分别对内部热源、半导体热电器件、发电器整体结构进行了研究、设计和试制。内部热源分为同位素热源和模拟电热源。钚（Pu）-238同位素是一种较为理想的可作为热源使用的同位素。论文以放射性同位素热源为目标,完成了热功率为1瓦量级的Pu-238同位素热源的设计计算。同时应用电热套件进行了模拟试验。半导体热电器件的工作原理基于半导体热电材料的赛贝克（Seebeck）效应,采用高热电优值的两种半导体热电材料可以将热能直接转换成为电能。它是半导体温差发电器的核心部件,是温差发电器设计和应用的基础,为此,本文首先应用相关理论计算分析了半导体热电器件的发电性能;然后对半导体热电器件进行了测试,研究了半导体热电器件的开路电压、伏安特性、输出功率、热电转换效率等一系列热电特性,并总结出热电器件的发电性能规律。绝热保温层和散热部件是为半导体热电器件提供工作温差的重要温场部件,它们是半导体热电器件正常高效工作的基础。由此,本文分别对绝热保温层和散热部件进行了理论研究和实验测试,试制出了一套适用于半导体温差发电器的温场部件。在完成半导体温差发电器各个部件的研究工作之后,本文根据国内外研究经验,设计并试制出了一套实验室温差发电器原理样机及一台放射性同位素温差发电器。并对它们进行了组装和性能测试,测试结果表明,实验室原理样机可以提供最高773mV的输出电压,放射性同位素温差发电器可以提供88mV的输出电压,很好的达到了设计目标。通过理论计算,分析出了大功率温差发电器的研究方面,及影响发电功率的主要因素,推导出了发电功率的表达式。温差发电装置的输出功率与器件的截面积、热电耦对数、工作温差等成正比,随热电器件的厚度成反比。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 研究背景及意义
• §1-2 半导体温差发电器
• 1-2-1 温差电材料的发展状况
• 1-2-2 半导体温差发电器的基本原理及特点
• 1-2-2-1 半导体温差发电的基本结构
• 1-2-2-2 半导体温差发电器的主要特点
• 1-2-3 半导体温差发电器的应用领域、研究现状及发展趋势
• §1-3 主要的研究内容及成果
• 1-3-1 主要的研究内容及方法
• 1-3-2 本课题研究的主要成果
• 1-3-3 论文结构安排
• 第二章 半导体温差发电器内部热源的研制
• §2-1 引言
• §2-2 钚-238 同位素热源的设计计算
• 2-2-1 钚-238 同位素的辐射特性
• 2-2-2 钚-238 同位素热源的设计计算
• 2-2-2-1 半导体同位素热源的基本参数
• 2-2-2-2 同位素热源的用量计算
• §2-3 实验模拟电热套件的设计研制
• §2-4 热源源盒的设计研制
• 2-4-1 热源盒材料
• 2-4-2 钚-238 同位素热源盒的设计计算
• §2-5 小结
• 第三章 半导体热电器件的理论分析与性能测试
• §3-1 引言
• §3-2 半导体热电器件发电性能的理论研究
• §3-3 半导体热电器件发电性能的数值分析
• §3-4 半导体热电器件发电性能的综合测试
• 3-4-1 热电性能测试平台
• 3-4-2 热电器件性能的实验测试
• 3-4-2-1 输出电压随负载变化关系曲线
• 3-4-2-2 输出电流随负载变化关系曲线
• 3-4-2-3 半导体热电器件的伏安特性
• 3-4-2-4 半导体热电器件的输出功率
• 3-4-2-5 半导体热电器件的转换效率
• 3-4-2-6 热电藕对数n 对热电性能的影响
• §3-5 小结
• 第四章 绝热保温层的实验研究
• §4-1 引言
• §4-2 绝热保温层的理论研究
• §4-3 绝热保温层的研究与实验
• 4-3-1 隔热保温材料
• 4-3-1-1 隔热保温材料的种类
• 4-3-1-2 隔热保温材料的性能要求
• 4-3-1-3 隔热保温材料的实验测试
• 4-3-2 太空绝热瓷层
• 4-3-2-1 太空绝热瓷层的结构及性能
• 4-3-2-2 太空绝热瓷层的实验测试
• §4-4 本章总结
• 第五章 散热部件的研究与设计
• §5-1 引言
• §5-2 散热部件的理论分析
• §5-3 散热部件的设计与试制
• 5-3-1 肋片散热组
• 5-3-2 热管散热组
• §5-4 散热部件的实验测试
• §5-5 小结
• 第六章 半导体温差发电装置的研制
• §6-1 引言
• §6-2 半导体温差发电装置原理样机的研制
• 6-2-1 FSTG－1 型半导体温差发电器的研制
• 6-2-2 FSTG－2 型半导体温差发电器的研制
• 6-2-2-1 单器件FSTG-1 型半导体温差发电器
• 6-2-2-2 多器件FSTG-1 型半导体温差发电器
• §6-3 毫瓦级放射性同位素温差发电器（RTG）的研制
• 6-3-1 放射性同位素温差发电器的设计与试制
• 6-3-2 放射性同位素温差发电器的性能测试
• §6-4 大功率温差发电装置的设计
• §6-5 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所取得的相关科研成果