热电器件是一种能直接将热能转换为电能的装置,因其具有可靠性高、无传动元件、无环境污染、寿命长等优点,在工业废热余热、地热、太阳能等的利用及空间电源方面具有广阔的应用前景。热电器件设计理论与方法的研究一直是国内外学者关注的重要问题之一。论文首先针对目前热电器件设计中常用的常物性模型只在小温差条件下才能够精确计算热电器件发电性能的问题,从基本热电耦合微分方程出发,采用有限单元法理论,建立了一个可以在宽温域范围内预测热电器件发电性能的变物性计算模型,并采用迭代算法通过编制计算程序进行了理论计算,理论与实验结果基本吻合,结果表明变物性模型可以精确计算宽温域热电器件的发电性能,可用于指导宽温域热电器件的设计。为了克服单一热电材料最佳性能工作温区有限,热电转换效率低的问题,宽温域热电器件通常采用两种或多种不同的热电材料连接制成级联(多段)结构。由于热电臂采用了多段结构,使得宽温域级联热电器件的设计变得十分复杂。论文基于变物性模型,以质量比发电功率为目标,采用鲍威尔优化方法,对级联热电器件电偶臂各段热电材料的长度和横截面积等结构参数进行了优化设计。优化设计结果表明：本文优化后的热电器件质量比发电功率比由传统的ZT曲线或CP曲线设计的热电器件分别提高了8.0%和11.5%。最后,本文研究了优化设计的宽温域热电器件在聚光太阳能热电系统中的应用,预测了采用由目前文献中报道的性能较高、被认为具有应用前景的热电材料制备的单一材料热电器件和宽温域热电器件的聚光太阳能热电系统的理论发电效率。采用经优化设计的BisbTe—In0.2Ce0.15Co4Sb12级联器件的聚光热电系统的理论发电效率可达11.8%,比采用分别由BiSbTe和In0.2Ce0.15Co4Sb12制备的单一材料器件的聚光热电系统的发电效率提高了61.6%和12.4%。可见,宽温域热电器件的设计优化对提高聚光太阳能热电系统的发电效率有重要意义。
