随着国家节能减排及环保绿色经济发展战略实施,提高能源利用率已成为能源领域重点研究课题。半导体热电转换技术为低品位热能,如工业废热、余热、汽车尾气排放热能等再利用提供了技术可能。半导体热电转换技术涵盖了热电材料、热电模块、冷热端换热及输出控制、特性参数测试等技术领域。本课题立足现有技术基础,针对大功率热电转换工况即:热流密度及冷热端温差大、输出功率高、结构参数对热电模块(TEM-Thermoelectric Module)输出特性影响较大的特点,围绕大功率输出工况下TEM准确计算模型的建立、结构参数优化、最佳工作状态确定等展开了研究。同时对目前TEM输出功率测试技术现状进行了系统分析,从热电转换、传热机理角度论证了现有测试方法应用于大输出功率TEM存在测试误差偏大的问题,提出了一种适于工程应用的快速估值修正法及减少测试耗时的大功率TEM准确测量方法,经实际验证,测试结果准确,为大功率TEM特性参数提供了可靠、有效测试手段及评估依据。最后,基于前述研究基础完成了多模块300W级热电转换系统设计、测试及分析工作,得到了许多有益结论,对大功率热电转换系统设计有很好的指导意义。本课题完成的主要内容具体如下:提出并建立非线性、大温差、计及空气传热等因素的TEM准确计算模型,对传统输出功率、转换效率计算方法进行了修正,有效减小了大功率TEM理论计算误差。结合热电材料实际温度特性及传统模型中热量仅基于臂(leg)传导及大功率TEM冷、热端温差大的实际工况,将半导体热电技术与传热学理论相结合,深入分析了空气介质对冷、热端传热影响,提出了计及空气传热、实用的大功率TEM精确计算模型,修正了传统TEM输出功率、转换效率计算误差。通过引入与TEM结构密切关联的综合热阻(ITR-Integrate Thermal Resistance)参数,建立了以ITR、臂leg几何尺寸、热电材料物性等为特征参数的TEM计算模型,实现了不同型号TEM输出特性统一表征。经典型TEM特性参数实测对比验证,新建模型转换效率计算误差明显小于传统模型,尤其是大温差工况下,计算结果更真实、准确。新模型以TEM冷、热端基板温度及综合表征结构的ITR参数为变量,更具实用性,且实现了结构参数与特性参数的有机结合,为TEM结构设计优化奠定了理论基础。基于新建模型结合经典理论,对大功率TEM展开了设计、优化研究。包括:材料优化、高温差下P-N电偶对热应力分析、ITR参数影响分析等,提出了ITR优化方案,修正了TEM最大输出功率常规理论计算对应电流值,确立了计及寄生热阻、接触热阻及附加电阻等因素的大功率TEM最佳工作电流,为TEM最大功率输出奠定了理论基础,对大功率热电转换系统与负载的匹配设计具有指导意义,经实际测试,与理论分析结果相一致。大功率TEM关键结构参数及输出特性测试是本课题的另一部分重点研究内容。通过将热电理论与传热、测试技术有机结合,首次提出了与TEM优化密切相关的ITR准确测试法,利用对称压力调节系统真实模拟了TEM承压使用工况,得到的数据更真实、可靠,为大功率TEM结构优化提供了设计依据,对TEM结构优化意义重大。系统分析了现有输出功率测试方法,从理论及测试机理上指出常规伏-安特性法、短路电流法两种方法对低内阻、大功率TEM存在测试误差大的缺陷。基于材料常物性、变物性角度分析了短路电流法测量结果大于实际值的根本原因。针对最大输出功率准确测量,首次提出用于最大输出功率的工程估值法,该法有效修正了前述两种方法用于大功率TEM产生的测量误差,准确度得到大幅提升且耗时明显少于常规经典法。针对目前常规伏-安特性法测试结果的不确定性,结合经典负载匹配法,提出了新型TEM最大输出功率准确测试法。该方法既保留了经典法测试准确的优点,又通过选择合适的负载值简化了测试过程,大量节省了测试耗时,特别是该方法不受引线电阻、开关接触电阻等附加电阻对测试的影响,有效解决了低内阻大功率TEM测试准确度受附加电阻影响问题,是目前大功率TEM实用的准确测试法。基于上述理论及测试方案,建立了TEM最大输出功率、转换效率综合测试平台,包括实际测试系统及测试方法等,为大功率TEM综合评估提供了有效实验手段及强有力的数据支撑。以多模块平板式热电转换系统为对象,对大功率热电转换系统进行了设计。将TEM、冷热端换热器、最大功率点跟踪(MPPT-Maxinum Power Point Tracking)控制器、循环冷却系统等集成一体,实际设计、完成300W级多模块平板式热电转换系统。对热源温度波动较大、温度场复杂、TEM数量多、种类多的大功率热电转换系统,提出了分层热电转换系统设计、优化方案,为k W级以上更大功率热电转换系统的设计、实施探索了一条可行之路。