变截面温差发电器的工作效率分析及热应力评估

摘要

[目的]针对温差发电技术实际应用中效率低于理论值、大温差下结构可靠性受影响的问题，探究热电臂几何形状对变截面温差发电器性能的影响，明确效率优化关键与热应力分布规律，为高性能、高可靠性器件设计提供理论支撑。[方法]采用理论建模与有限元仿真相结合的方式。理论上基于塞贝克效应构建模型，引入形状参数μ推导效率与关键参数的耦合关系；仿真中利用COMSOL Multiphysics建立含8对热电偶的三维模型，对比热电臂倾角0°、5°、10°、15°的性能差异，通过热-电-力耦合方法模拟热应力分布，并验证模型有效性。[结果]形状参数μ>0时（梯形结构）可降低器件电阻、提升效率，高温比下优势更显著；热电臂倾角从0°增至15°，内阻从31.9 mΩ升至44.6 mΩ，不同倾角的最大转换效率相近，核心取决于负载电阻与内阻的匹配；热应力集中于导流铜片与热电臂连接处及铜片边缘，最大热应力随倾角从55.5 MPa增至59.7 MPa。[结论]变截面设计可通过优化形状参数提升效率，负载与内阻匹配是高效输出的关键，但倾角增大会加剧热应力，带来可靠性风险。10°倾角为较优选择，兼顾效率与结构安全性。研究成果为不同工况下温差发电器的结构优化提供量化依据，助力其在多领域高效可靠应用。

关键词

变截面热电臂 / 温差发电器 / 热应力 / 有限元仿真

基金资助

辽宁省自然科学基金项目（LJ232411632088）