热电转换微能源系统中关键热物理问题的研究

热电转换微能源系统可实现热、电直接相互转换，并且具有结构简单、无污染、无噪声等优点，在发电、制冷、恒温控制及温度测量等领域有着重要的应用前景。但目前由于科学技术的限制，效率低成为制约其应用的根本原因。本课题从热物理角度进行系统热电性能综合研究；找到提高热电转换效率的有效途径，并进一步建立热电转换效率的测试评估系统。研究中拟采用飞秒激光泵浦－探测热反射法实现对金属和半导体内部及不同界面的能量传递特性的超快探测和精确测量；采用基于数字信号处理的虚拟锁相技术，通过对通1-Omega交流电的热电材料两端1-Omega，2-Omega和3-Omega电压成分的同时采集和分析处理，获得热电材料的电导率，热导率，Seebeck系数和热电转换效率的优值系数，进一步开发新型虚拟锁相热电转换综合测试评价系统；在此基础上，寻找降低系统热损失和对系统进行整体热管理的新方法、新结构，并对新系统进行试制和实验分析。

世界范围内能源危机和生态环境恶化催促着人们寻找新能源及能源利用新方法。热电转换装置因其结构简单、无需制冷剂、无机械传动部分、无磨损、无噪声、寿命长、可靠性高等优点越来越受到人们重视，并且已经广泛应用于民用和军用领域。而在热电转换微能源系统中，热电转换效率受热电装置高温端散热工况和材料自身热电性能的影响较大。因此寻找新型高效散热方式，以及开发材料热电性能表征系统已经成为热电转换装置中关键热物理问题。. 本项目基于上述两个关键热物理问题，开展了相应研究工作。采用基于数字信号处理的虚拟锁相技术，通过对通1-Omega交流电的热电材料两端1-Omega，2-Omega和3-Omega电压成分的同时采集和分析处理，获得热电材料的电导率，热导率，Seebeck系数和热电转换效率的优值系数。为了解决热电转换装置性能评估问题，本项目基于直流瞬态Harman法测量优值系数原理，搭建了热电器件综合性能表征实验系统，实现同时测量无量纲优值系数（ZT值）、Seebeck系数、电导率以及热导率等热电性能参数，并通过测试商业碲化铋基热电器件验证了本实验台测量结果的可靠性。在此基础上，制作和改进了具有不同夹层结构的新型热电器件，并对其开展了热电性能评估。实验结果表明，室温下具有夹层结构热电器件ZT值普遍小于常规碲化铋纯半导体器件，但是Seebeck系数却比常规器件大；同时夹层结构热电器件的电导率和热导率均大于常规器件值。. 另外，为了探索新型高效散热方式用于解决热电器件热端散热，本项目研究了微通道内纳米流体强化换热特性，以期采用在热电装置热端端面开凿矩形微槽道，并通以水基多壁碳纳米管(MWCNT)纳米流体的方式解决高效热电转换装置中大热流密度散热难题。通过实验测量了纳米流体微细管内对流换热系数和沿程阻力特性，结果表明，纳米流体能够显著强化对流换热系数，并且沿程摩擦系数与去离子水的值相近，表明纳米流体强化传热的同时泵功消耗并没有大幅增加,具有工业应用价值。