基于矩独立的单级热电制冷系统的全局灵敏度分析方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于矩独立的单级热电制冷系统的全局灵敏度分析方法，在考虑外部传热影响下的单级热电制冷系统物理模型基础上，建立矩独立全局灵敏度分析模型，采用改进的Monte Carlo模拟法，研究设计变量对于制冷量和制冷系数的矩独立灵敏度指标，根据计算结果来设计和改进单级热电制冷系统，可以有效地提高系统的可靠性，具有重要的研究意义和应用价值。

Global Sensitivity Analysis Method for Single Stage Thermoelectric Refrigeration System Based on Moment Independence

【技术实现步骤摘要】
基于矩独立的单级热电制冷系统的全局灵敏度分析方法
本专利技术自动化控制
，具体涉及单级热电制冷系统的全局灵敏度分析，通过矩独立灵敏度分析方法研究了输入设计变量的不确定性对单级热电制冷系统的输出性能参数的稳定性的影响，对工程中单级热电制冷机的设计与优化具有一定的指导作用。
技术介绍
随着全球节能环保思潮的兴起和热电材料的快速发展，热电制冷技术在电子元器件散热、微型制冷装置、建筑物余热回收利用等领域得到广泛应用。与传统的压缩机制冷相比，热电制冷采用固体半导体元件制冷，无压缩机和制冷剂，具有制冷迅速、结构紧凑、使用寿命长及可靠性高等优点，并且在运行过程中不会对环境产生破坏。热电制冷芯片直接利用直流电驱动，因此热电制冷系统可以直接采用光伏电池发电驱动。二十一世纪以来，国际上关于热电制冷技术的研究主要集中在热电材料，结构优化和热端散热这三个方面。目前对热电制冷系统性能改善的研究主要集中在如何提高热电材料优值系数上，各国学者试图通过开发新型热电材料来提高热电制冷系统的性能。这些研究忽略了热电制冷系统在设计、制造过程中参数的随机不确定性。研究表明，热电制冷系统一些关键设计变量的微小波动会导致系统输出性能有很大的变化，因此对单级热电制冷系统进行全局灵敏度分析是十分有必要的。全局灵敏度，定义为模型中输入变量不确定性对模型输出响应不确定性的贡献程度。一旦得到了输入变量的重要性排序，就可以在工程设计、优化中优先考虑重要性高的变量，或忽略重要性低的变量，从而为系统工程设计、优化提供有效的指导信息。在众多全局灵敏度分析方法中，基于方差的灵敏度分析由于其计算简便的特点是目前应用最为广泛的全局灵敏度分析方法，但方差灵敏度指标仅用方差衡量模型输出变量的不确定性，而没有考虑输入变量的全部分布信息，因此有可能造成部分信息缺失。相对于方差灵敏度指标，具有变换不变性的矩独立灵敏度指标在模型输出变量分布区间横跨几个数量级的情况下更能表征输入变量不确定性对模型输出不确定性的影响。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于矩独立的单级热电制冷系统的全局灵敏度分析方法。技术方案一种基于矩独立的单级热电制冷系统的全局灵敏度分析方法，其特征在于步骤如下：步骤1：建立制冷量与制冷效率关于设计变量的函数关系式热电制冷系统的冷热端通过散热器与周围介质存在能量传递过程，对于稳态热电制冷系统，根据传热学原理和电学原理，可得以下方程：Qc＝(Tec-Tc)Fc(1)Qh＝(Th-Teh)Fh(2)Qc＝αITc-0.5I2R-K(Th-Tc)(3)Qh＝αITh+0.5I2R-K(Th-Tc)(4)P＝UI＝αI(Th-Tc)+I2R(5)式中，Tc和Th为热电制冷片冷、热端温度；Qc和Qh为热电芯片冷热端产生的制冷量和制热量；Fc和Fh是热电制冷芯片冷热端散热器换热系统换热系数与面积的乘积；I为热电芯片工作电流，α为热电芯片的塞贝克系数；R为热电芯片的总电阻；K为热电芯片的热传导系数；N为热电芯片中p-n半导体数目；ρ为p-n半导体的电阻率；Lp，Ln分别为p-n半导体的P结、N结的热电臂长；Ap，An为p-n半导体的P结、N结的截面面积；kp，kn为p-n半导体的P结、N结的热导率；由于半导体元件采用等截面电偶臂，故热电臂长L＝Lp＝Ln，热电偶臂的端面面积A＝Ap＝An，热导率k＝kp＝kn，电阻率ρ＝ρp＝ρn；根据式(1)和(2)可得：Tc＝Tec-Qc/Fc(8)Th＝Teh-Qh/Fh(9)由式(3)-(9)可以得到制冷量，输入功率和制冷系数的函数表达式：制冷量可以表示为：输入功率可以表示为：制冷系数可以表示为：其中：Z＝FhFc+k(Fh+Fc)+αI(Fh-Fc)-(αI)2(12)步骤2：建立矩独立全局灵敏度分析模型根据矩独立灵敏度的定义，可以得到：注意到由此可以得到：其中为模型输出性能参数Y和输入设计变量Xi的联合概率密度函数；设计变量Xi(i＝1，2，…，10)分别对应了单级热电制冷机的热电芯片的塞贝克系数，热电臂长，热电制冷片冷、热端温度，热电偶臂的端面面积，热电制冷芯片冷热端散热器换热系统换热系数与面积的乘积，热电芯片工作电流，热电制冷片冷、热端温度，热导率，电阻系数；性能参数Y为单级热电制冷机的制冷量或制冷系数；步骤3：采用改进的MonteCarlo模拟法求解矩独立灵敏度指标应用MCS法计算单级热电制冷系统的设计变量对于制冷量和制冷系数的矩独立灵敏度指标的过程如下：(1)采用拉丁超立方抽样抽取N组设计变量样本，记为{x(j)}(j＝1,2,…，m)，单个设计参数互相独立且服从正态分布；(2)对每一组样本计算输出性能参数的值，由此可得N个Y的样本：y(j)＝g(x(j))(j＝1,2,…，m)(20)(3)基于N个X和Y的联合样本(x(j)，y(j))，可以由核密度估计法求得一元密度fY(y)的估计值和联合密度的估计值对于N个样本(x(j)，y(j))分别计算密度函数和的值：(4)按照下式估计δi：(5)改变样本容量N，观察关键设计变量对于性能参数的矩独立灵敏度指标随样本规模的变化趋势，考核该算法下矩独立灵敏度指标是否收敛。有益效果目前关于热电制冷机的优化设计方法主要有两种：追求制冷效果的最大制冷量设计法和追求制冷效率的最大制冷系数设计法。本专利技术通过全局灵敏度分析方法研究了单级热电制冷机的设计参数的不确定性对制冷量和制冷系数的稳定性的影响，计算了设计参数对于输出性能参数的矩独立灵敏度指标。热电制冷机在实际的制造和使用过程中，设计参数往往是波动的。全局灵敏度分析可以指导设计人员进行合理的参数设计和资源分配，通过优先控制关键设计变量的公差来高效的减小制冷系数的不确定性，将设计参数波动对系统性能的影响降到最小，从而提高系统在不确定性环境下的可靠性。附图说明图1热电制冷原理图图2求解矩独立灵敏度度指标流程图图3热电制冷系统设计变量对制冷量影响的矩独立灵敏度指标图4关键设计变量对制冷量影响的矩独立灵敏度指标随样本规模的变化趋势图5热电制冷系统设计变量对制冷系数影响的矩独立灵敏度指标图6关键设计变量对制冷系数的矩独立灵敏度指标随样本规模的变化趋势具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术涉及一种基于矩独立的单级热电制冷系统的全局灵敏度分析方法，具体实施步骤如下：步骤1：建立制冷量与制冷效率关于设计变量的函数关系式热电制冷系统的冷热端通过散热器与周围介质存在能量传递过程，对于稳态热电制冷系统，根据传热学原理和电学原理，可得以下方程：Qc＝(Tec-Tc)Fc(1)Qh＝(Th-Teh)Fh(2)Qc＝αITc-0.5I2R-K(Th-Tc)(3)Qh＝αITh+0.5I2R-K(Th-Tc)(4)P＝UI＝αI(Th-Tc)+I2R(5)式中，Tc和Th为热电制冷片冷、热端温度(K)；Qc和Qh为热电芯片冷热端产生的制冷量(W)和制热量(W)；Fc和Fh是热电制冷芯片冷热端散热器换热系统换热系数与面积的乘积(W/K)；I为热电芯片工作电流(A)，α为热电芯片的塞贝克系数(V/K)；R为热电芯片的总电阻(Ω)；K为热电芯片的热传导系数(W/K)；N为热电芯片中p-n半导体数目；ρ为p-n半本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于矩独立的单级热电制冷系统的全局灵敏度分析方法，其特征在于步骤如下：步骤1：建立制冷量与制冷效率关于设计变量的函数关系式热电制冷系统的冷热端通过散热器与周围介质存在能量传递过程，对于稳态热电制冷系统，根据传热学原理和电学原理，可得以下方程：Qc＝(Tec‑Tc)Fc                                                  (1)Qh＝(Th‑Teh)Fh                                                  (2)Qc＝αITc‑0.5I

【技术特征摘要】
1.一种基于矩独立的单级热电制冷系统的全局灵敏度分析方法，其特征在于步骤如下：步骤1：建立制冷量与制冷效率关于设计变量的函数关系式热电制冷系统的冷热端通过散热器与周围介质存在能量传递过程，对于稳态热电制冷系统，根据传热学原理和电学原理，可得以下方程：Qc＝(Tec-Tc)Fc(1)Qh＝(Th-Teh)Fh(2)Qc＝αITc-0.5I2R-K(Th-Tc)(3)Qh＝αITh+0.5I2R-K(Th-Tc)(4)P＝UI＝αI(Th-Tc)+I2R(5)式中，Tc和Th为热电制冷片冷、热端温度；Qc和Qh为热电芯片冷热端产生的制冷量和制热量；Fc和Fh是热电制冷芯片冷热端散热器换热系统换热系数与面积的乘积；I为热电芯片工作电流，α为热电芯片的塞贝克系数；R为热电芯片的总电阻；K为热电芯片的热传导系数；N为热电芯片中p-n半导体数目；ρ为p-n半导体的电阻率；Lp，Ln分别为p-n半导体的P结、N结的热电臂长；Ap，An为p-n半导体的P结、N结的截面面积；kp，kn为p-n半导体的P结、N结的热导率；由于半导体元件采用等截面电偶臂，故热电臂长L＝Lp＝Ln，热电偶臂的端面面积A＝Ap＝An，热导率k＝kp＝kn，电阻率ρ＝ρp＝ρn；根据式(1)和(2)可得：Tc＝Tec-Qc/Fc(8)Th＝Teh-Qh/Fh(9)由式(3)-(9)可以得到制冷量，输入功率和制冷系数的函数表达式：制冷量可以表示为：输入功率可以表示为：制冷系数可以表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：张峰，徐夏雨，程磊，高洋，王璐，敖良波，岳珠峰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61