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冷热源微小型热电电源的研究

宋瑞银  
【摘要】:随着微机电系统(MEMS)的快速发展,为MEMS提供电能的微小型功率器件(Power MEMS)逐步得到了广泛的研制。微小型热电电源是其中的一种得到开展的研究课题。 本文提出了冷热源微小型热电电源方案,它是在发电器两端施加强制温差并利用热电效应将热能转换为电能的一种器件。它包括冷源、热源和微小型热电发电器三个主要部件,具有寿命长、可靠性高、无污染、安静无噪声和无可动部件等优点。本方案在国内没有看见类似报道。 本文结合普通热电发电器的理论模型,考虑到汤姆孙效应、接触热阻,焊料层和导热覆盖基板等因素的影响,建立了微小型热电发电器的精确数学模型,并进行了性能优化分析。在此基础上研制了一系列的微小型热电发电器。通过对一系列不同表面积尺寸、不同对数和不同高度的微小型热电发电器进行测试分析,得到了相关的性能参数,从而得到了尺寸和性能优化的微小型热电发电器件。其次,对电源的冷源进行了研究分析。以保持冷源工作稳定和一定工作时间为目标,优化选择了冷冻冰作为冷源,并对冷源腔进行了结构优化。再次,对电源的热源进行了相关研究,分别对采用高贮能相变材料(PCM)、液体燃料和气体燃料作为热源进行了研究分析,并对放射性同位素作为热源进行了初步的探讨研究,其中,在国内首次提出用PCM作为微小型电源的热源。对微型燃烧器进行了制作和加工,初步进行了微燃烧的实验测试。 这里把冷源、热源和发电器集成于一体,制作了几种不同尺寸和规格的热电电源,并测试了电源的输出功率、效率和工作时间等参数。实验测试结果表明,研制的微型热电电源达到数十毫瓦以上的功率,小型热电电源达到1.2瓦以上的功率,和部分型号现有电池比较,具有一定的优点。


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