一种阶梯式温差发电片及其引脚高度确定方法技术

本发明专利技术公开了一种阶梯式温差发电片及其引脚高度确定方法，阶梯式温差发电片由上端水平陶瓷板、铜电极片、高度沿热流方向阶梯增加的PN结引脚和下端阶梯式陶瓷板组成；由于温差发电片的所有PN结引脚全部串联连接，当热流体流经温差发电片时，其温度沿着流动方向不断降低，使得上行方向的PN结输出电流高于下行方向的PN结输出电流。为了避免温差发电片的整体输出电流受制于其中一个最小的PN结输出电流，将温差发电片设计成阶梯状，PN结引脚高度较低的一侧位于热流体的上行方向，而引脚高度较高的一侧则位于热流体下行方向。同时，本发明专利技术提供一种PN结引脚在不同阶梯的高度计算方法，用于设计最优的引脚高度值，优化效果明显。

【技术实现步骤摘要】
一种阶梯式温差发电片及其引脚高度确定方法
本专利技术属于热电转换、热电回收、温差发电领域，具体涉及一种阶梯式温差发电片及其引脚高度确定方法，该方法能够提高温差发电片的整体输出。
技术介绍
近年来，随着现代先进材料制备技术的出现，如纳米技术、复合材料等，热电材料的转换效率大幅提升，吸引了广泛研究者的注意，并将热电转换技术应用于热电回收领域(如航空航天、汽车尾气废热回收、工业废热回收等)。温差发电片是热电回收中的核心发电单元，它由上下两端陶瓷板、热电材料制成的PN结引脚以及连接引脚间的铜导电片三部分组成，温差发电片的输出性能直接影响热电回收的性能。有学者为了提高PN结的输出电压，提出将四边形横截面的PN结改成六边形横截面的PN结、将PN结设计成变横截面积等，这些方法在一定程度上能提高温差发电片的输出电压等，但是这些结构一般具有结构复杂、制作困难等特点，难以实现工程应用。还有学者以温差发电片的拓扑连接关系为研究对象，为了不让温差发电器的整体输出受限于其中一较小的温差发电片输出，温差发电片之间采取串并联混合连接的方式。然而，温差发电片内部PN结引脚数众多，且引脚之间都采用串联连接的方式，当温差发电片置于热端换热器和冷端换热器之间时，其温差发电片的两端温差会沿着热流体流动方向不断降低，造成热流体下行方向的PN结输出电流低于上行方向的PN结输出电流，温差发电片内部引脚间的串联关系也会使得温差发电片的整体输出电流受限于其中最小的PN结输出电流。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服温差发电片整体输出电流会受限于最小PN结输出电流的影响，提出一种阶梯式温差发电片及其引脚高度确定方法，沿热流体流动方向阶梯增加PN结引脚的高度使得每一阶梯上的PN结引脚输出电流保持一致，从而提高温差发电片的整体输出。本专利技术的目的通过如下技术方案实现：一种阶梯式温差发电片，包括上端水平陶瓷板、铜电极片、高度沿热流方向阶梯增加的PN结引脚和下端阶梯式陶瓷板，下端陶瓷板与铜电极片的接触面为阶梯状；所述PN结引脚由铜电极片相互串联连接后，夹在上端水平陶瓷板和下端阶梯式陶瓷板中间；所述PN结引脚在每一阶梯上的列数R保持一致，且同一阶梯上的PN结引脚高度相同，不同阶梯上的PN结引脚高度不相同，其中，R由温差发电片PN结引脚的总列数Rall和阶梯数n决定，即：沿热流方向，阶梯式温差发电片分别为第1阶梯、第2阶梯、…第i阶梯…、第n阶梯，其中，第1阶梯上的PN结引脚高度最低，第n阶梯上的PN结引脚高度最高；第i阶梯的引脚高度为hi、下陶瓷板第i阶梯的高度为hci，且上陶瓷板的高度hc1和铜电极片的高度hco保持不变，hc1等于下陶瓷板第一阶梯的高度，各高度间满足下述关系：hc1+h1＝hi+hci。一种阶梯式温差发电片的引脚高度确定方法，确定第i阶梯PN结引脚的热端温度和冷端温度，由PN结引脚热端温度、冷端温度，计算第i阶梯的PN结输出电流，从而计算得到第i阶梯的引脚高度hi。进一步，确定第i阶梯PN结引脚的热端温度的具体过程为：计算热端换热器的内壁面温度Tiwh；其中，Ch为热流体的比热容，为热流体的质量流量，Thi为第i阶梯的热流体入口温度、Thi+1为第i阶梯的热流体出口温度，h1为热流体对流换热系数，A1为热流体与热端换热器的内壁面接触面积，为第i阶梯的热流体平均温度，且计算PN结引脚的热端温度Thleg；热端热流密度q1为：根据热流密度相等，则式中λ1为热端换热器材料的热导率，δh为热端换热器底板厚度，λce为陶瓷板的材料热导率，Towh为热端换热器外壁面温度；则PN结引脚的热端温度进一步，确定第i阶梯PN结引脚的冷端温度的具体过程为：计算冷端换热器的内壁面温度Tiwc；式中，Cw为冷流体的比热容，为冷流体的质量流量，Tci为冷流体的入口温度、Tci+1为冷流体出口温度，h2为冷流体对流换热系数，A2为冷流体与冷端换热器的内壁面接触面积，为第i阶梯的冷流体平均温度，且计算PN结引脚的冷端温度Tcleg；冷端热流密度q2为：根据热流密度相等，则式中λ2为冷端换热器材料的热导率，δc为冷端换热器底板厚度，Towc为冷端换热器外壁面温度；hc1为上陶瓷板的高度等于下陶瓷第一阶梯的高度。则PN结引脚的冷端温度进一步，计算第i阶梯的PN结输出电流的具体过程为：计算第i阶梯的PN结输出电压Ui；Ui＝R×m(αP-αN)×(Thleg-Tcleg)式中，m为每一列PN结引脚包含的PN结个数，αP为P极的塞贝克系数，αN为N极的塞贝克系数；计算第i阶梯的PN结内阻Ri；式中，ρP为P极的电阻率，ρN为N极的电阻率，Aleg为PN结引脚的横截面积。进一步，计算第i阶梯的PN结输出电流Ii：更进一步，当i＝1时，h1已知，求得当i＝2，3，…，n时，hi未知，根据Ii＝I1可求解得到，即本专利技术的有益效果为：本专利技术温差发电片将下端陶瓷板设计成阶梯状，且PN结引脚高度沿着热流体流动方向阶梯增加，并提供一种引脚高度确定方法，使得阶梯式温差发电片中各阶梯上的PN结引脚输出电流相同，能够大幅提升温差发电片的性能。附图说明图1为阶梯式温差发电片结构示意图；图2为阶梯式温差发电片主视图及其工作原理示意图；图3为阶梯式温差发电片第i阶梯的有关参数。具体实施方式下面结合一具体的阶梯式温差发电片结构，来说明本专利技术的技术方案。如图1所示，阶梯式温差发电片包括上端水平陶瓷板、铜电极片、高度沿热流方向阶梯增加的PN结引脚和下端阶梯式陶瓷板，下端陶瓷板与铜电极片的接触面设计成阶梯状，用于放置PN结引脚；所述PN结引脚由铜电极片相互串联连接，夹在上端水平陶瓷板和下端阶梯式陶瓷板中间；所述PN结引脚在每一阶梯上的列数R保持一致，且同一阶梯上的PN结引脚高度相同，不同阶梯上的PN结引脚高度不相同，其中，R由温差发电片PN结引脚的总列数Rall和阶梯数n决定，即：沿热流体流动方向，阶梯式温差发电片分别为第1阶梯、第2阶梯、…第i阶梯…、第n阶梯，其中，第1阶梯上的PN结引脚高度最低，第n阶梯上的PN结引脚高度最高；第i(i＝1,2,……，n)阶梯的引脚高度为hi、第i阶梯的下陶瓷板高度为hci，另外，上陶瓷板的高度hc1(等于下陶瓷板第一阶梯的高度)和铜电极片的高度hco始终保持不变，各高度间满足下述关系：hc1+h1＝hi+hci(2)第i阶梯的热流体平均温度为热端换热器内壁面温度为Tiwh、热端换热器外壁面温度为Towh、PN结引脚热端温度为Thleg、PN结引脚冷端温度为Tcleg、冷端换热器的外壁面温度为Towc、冷端换热器的内壁面温度为Tiwc、冷流体的平均温度为实施步骤如下：本专利技术实现的前提是：(1)忽略热端换热器、冷端换热器与温差发电片间的接触热阻；(2)第i(i＝1,2,……，n)阶梯的热流体入口温度Thi、热流体出口温度Thi+1和冷流体的入口温度Tci、冷流体出口温度Tci+1已知；(3)热流体的质量流量比热容Ch和对流换热系数h1，以及冷流体的质量流量比热容Cw和对流换热系数h2均为已知。步骤1，确定第i阶梯PN结引脚的热端温度；(1)由热端热流体内能的减少等于热流体与热端换热器内壁面的对流换热量，计算热端换热器的内壁面温度Tiwh；式中，A1为第i阶梯热流体与热端换热器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阶梯式温差发电片，其特征在于，包括上端水平陶瓷板、铜电极片、高度沿热流方向阶梯增加的PN结引脚和下端阶梯式陶瓷板，所述PN结引脚由铜电极片相互串联连接后，夹在上端水平陶瓷板和下端阶梯式陶瓷板中间，下端陶瓷板与铜电极片的接触面为阶梯状。

【技术特征摘要】
1.一种阶梯式温差发电片，其特征在于，包括上端水平陶瓷板、铜电极片、高度沿热流方向阶梯增加的PN结引脚和下端阶梯式陶瓷板，所述PN结引脚由铜电极片相互串联连接后，夹在上端水平陶瓷板和下端阶梯式陶瓷板中间，下端陶瓷板与铜电极片的接触面为阶梯状。2.根据权利要求1所述的一种阶梯式温差发电片，其特征在于，所述PN结引脚在每一阶梯上的列数R保持一致，且同一阶梯上的PN结引脚高度相同，不同阶梯上的PN结引脚高度不相同，其中，R由温差发电片PN结引脚的总列数Rall和阶梯数n决定，即：3.根据权利要求1所述的一种阶梯式温差发电片，其特征在于，沿热流方向，阶梯式温差发电片分别为第1阶梯、第2阶梯、…第i阶梯…、第n阶梯，其中，第1阶梯上的PN结引脚高度最低，第n阶梯上的PN结引脚高度最高；第i阶梯的引脚高度为hi、下陶瓷板第i阶梯的高度为hci，且上陶瓷板的高度hc1和铜电极片的高度hco保持不变，hc1等于下陶瓷板第一阶梯的高度，各高度间满足下述关系：hc1+h1＝hi+hci。4.一种阶梯式温差发电片的引脚高度确定方法，其特征在于，确定第i阶梯PN结引脚的热端温度和冷端温度，由PN结引脚热端温度、冷端温度，计算第i阶梯的PN结输出电流，从而计算得到第i阶梯的引脚高度hi。5.根据权利要求4所述的一种阶梯式温差发电片的引脚高度确定方法，其特征在于，确定第i阶梯PN结引脚的热端温度的具体过程为：计算热端换热器的内壁面温度Tiwh；其中，Ch为热流体的比热容，为热流体的质量流量，Thi为第i阶梯的热流体入口温度、Thi+1为第i阶梯的热流体出口温度，h1为热流体对流换热系数，A1为热流体与热端换热器的内壁面接触面积，为第i阶梯的热流体平均温度，且计算PN结引脚的热端...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪若尘，罗丁，余未，陈龙，孟祥鹏，孙泽宇，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32