近年来,随着智能穿戴设备在医疗健康领域的快速发展,设备需要频繁充电或更换电池等情况已成为该行业面临的最大挑战之一。人体热源是优秀的可再生能源,当人体自我调节核心温度时,会不断从皮肤辐射出热能。温差发电器(TEG)是一种将热能转换为电能的设备,具有环保、无运动部件等优点。由于人体皮肤和周围环境之间提供了天然的温差,温差发电器可以从中获得能量,为智能穿戴设备持续的提供电能。然而,传统的刚性温差发电器质量较重且无法弯曲,不能很好贴合人体皮肤的曲面形状。因此,需要设计一种具有柔性且可靠的可穿戴式柔性温差发电器,使智能穿戴设备真正成为自供电设备。本文通过仿真分析与实验研究相结合的方式,针对可穿戴式柔性温差发电器开展了以下研究工作:1.首先,为了适应智能穿戴设备的电源要求,针对穿戴式温差发电器建立了参数化计算模型,并设计实验验证了模型的准确性。设计了具有PDMS柔性封装的温差发电器,并采用再流焊工艺制备了无陶瓷基底的热电模组单元,搭建了温差发电器的性能测试平台,对其进行了测试验证。2.其次,基于实验验证的仿真模型,主要分析了柔性温差发电器负载电阻、动态内阻、接触效应、封装材料、结构参数对温差发电器性能的影响,探讨了设备的发电性能与机械结构性能。在热电偶对数较少时,不同封装材料对设备性能的影响有较大差异,而设备内热电偶数量越多,其影响就越小,在超过90对热电偶结构下对设备的性能影响趋向于恒定值7m W/cm~2,这与被空气包裹的热电偶性能接近。柔性温差发电器由于去除了刚性基底,需要多热电偶来维持其机械结构完整性,本研究设计的为127对热电偶的经典排布,根据分析得出,在这种情况下使用柔性封装材料的温差发电器在性能上可以达到空气介质的水平,这使得柔性温差发电器胜过其刚性同类产品。由于柔性温差发电器工作在以人体为热源的低温差环境下,接触效应对其性能的影响必须考虑,本文详细的分析了不同接触效应下的变化规律,接触效应越低,设备的输出性能就越好,而接触效应主要与材料的选择和加工工艺有关。随着热电偶高度的增加,设备的输出功率呈先增大后减小的趋势,转换效率则持续增大并最终趋向于一个恒定值。而这时热应力在随热电偶高度的增加而迅速增加后,在峰值功率之后的某个点开始逐步下降。随着热电偶侧面边长的增加,设备的输出功率开始逐渐减小而转换效率先增加后减小,不过侧面边长对效率的影响并不明显。热应力刚开始随侧面边长的增加而增加,随后迅速减小,在热应力最大时,输出功率还未达到峰值。通过增加热电单元的间距,热应力会不断增加,而输出功率则基本不受影响。3.最后,上文分析中确立的主要因素和指导取值范围。基于响应面方法探讨了各因素对温差发电器输出功率、转换效率与热应力的影响。依据正交试验设计建立了一个3因素3水平的正交表,对应的输出为输出功率、转换效率和热应力。根据仿真数据进行分析,得出了各因素对温差发电器性能的显著性。基于上述数据模拟的结果,得到关于输出功率、转换效率和热应力的回归方程,并用响应面法进行寻优分析,分别得到关于最大输出功率、最大转换效率、最小热应力的最优参数组合。然后再进行多目标优化,在热应力的约束条件下,得到多因素共同影响下的最优参数组合:h为1.29mm、w为1.68mm、s为0.65mm,在此条件下P为18.59m W、η为3.955%。