一种用于流体余热回收的温差发电模块及其结构优化方法技术

本发明专利技术提供了一种用于流体余热回收的温差发电模块及其结构优化方法，属于温差发电技术领域。本发明专利技术根据每个热电半导体的温差来确定热电半导体的长度，且在热电半导体的输出功率增益值取到最优时，确定改进型温差发电模块热电半导体的最优长度，对热电半导体的横截面积进行优化；通过改变热电半导体的横截面积，有效地提高用于流体余热回收的温差发电模块的输出性能，提高温差发电模块的热电转换效率。与传统温差发电模块结构相比，本发明专利技术结构优化方法确定的温差发电模块，能够解决温差发电模块产生的电流受到热电半导体最小电流限制而导致电能损耗的问题。制而导致电能损耗的问题。制而导致电能损耗的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种用于流体余热回收的温差发电模块及其结构优化方法


[0001]本专利技术属于温差发电
，具体涉及一种用于流体余热回收的温差发电模块及其结构优化方法。

技术介绍

[0002]近年来，由于能源需求不断增加，热电转换技术作为一种极具发展前景的替代能源技术，以其无污染、无运动部件、无维护费用、使用寿命长等优点，引起了可再生能源研究的广泛关注。越来越多的研究人员尝试将温差发电机应用于废热回收领域，包括汽车、飞机和直升机、船舶和工业所产生的废热。
[0003]温差发电模块是热电转换技术中的核心发电单元，它由上端氧化铝陶瓷板、热电半导体、铜电极片和下端氧化铝陶瓷板组成。但是温差发电模块的转换效率较低，远远不能满足商业应用的要求。因此，开发具有更高性能的热电材料和基于结构优化的温差发电模块可以在一定程度上提高温差发电系统的转换效率。当采用温差发电模块回收流体中所含的废热时，温差发电模块表面的温度分布不均匀，导致不同的热电半导体之间输出电流不同，温差发电模块的整体输出电流受到最小输出电流的限制。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种用于流体余热回收的温差发电模块及其结构优化方法，解决回收流体余热时，温差发电模块产生的电流受到热电半导体最小电流限制而导致电能损耗的问题。
[0005]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0006]一种用于流体余热回收的温差发电模块的结构优化方法，包括步骤：
[0007]步骤(1)，令i＝1、Δl＝q<br/>×
j，改进型温差发电模块第i个热电半导体的长度判断i是否大于等于N，若是，则执行步骤(2)；否则令i＝i+1,重新计算L
i
，直到i＝N；
[0008]其中：Δl为热电半导体的长度增量；迭代次数j＝1，2，3，
……
，初始值取1；常系数L
origin
为热电半导体的原始长度；ΔT
i
为第i个热电半导体的温差，ΔT
max
为所有热电半导体的最大温差，ΔT
min
为所有热电半导体的最小温差；N为热电半导体的总个数；
[0009]步骤(2)，计算改进型温差发电模块的输出功率P
Δl
和传统温差发电模块的输出功率P
base ofΔl
，在j取不同值时，比较所述输出功率P
base ofΔl
是否大于等于P
Δl
，若是，则结束；否则令j＝j+1，并返回步骤(1)；
[0010]步骤(3)，确定温差发电模块所有热电半导体长度L
i-all
，并比较不同j值时改进型温差发电模块输出功率相对于传统温差发电模块输出功率的增益大小，当
δ
′
取最大值时，j为最优值，得到最优的Δl，从而确定热电半导体的最优长度L
i
′
，优化热电半导体的横截面积。
[0011]进一步，所述输出功率、温差通过在ANSYS仿真中建立流热电多物理耦合模型获取。
[0012]进一步，所述热电半导体的原始长度L
origin
等于传统温差发电模块的宽度W，且
[0013]进一步，热电半导体数量相同时，传统温差发电模块热电半导体的高度、宽度与改进型温差发电模块热电半导体的高度、宽度分别相等。
[0014]更进一步，热电半导体数量相同时，传统温差发电模块所有热电半导体的总体积等于改进型温差发电模块所有热电半导体的总体积。
[0015]一种用于流体余热回收的温差发电模块，包括上端氧化铝陶瓷板、铜电极片、热电半导体和下端氧化铝陶瓷板；所述热电半导体包括p型热电半导体和n型热电半导体，p型热电半导体和n型热电半导体通过铜电极片串联后，夹在上端氧化铝陶瓷板和下端氧化铝陶瓷板之间；所述第i个热电半导体的长度为L
i
，所述L
i
根据上述结构优化方法确定，1≤i≤N。
[0016]上述技术方案中，所述上端氧化铝陶瓷板和下端氧化铝陶瓷板的个数均为1，热电半导体的总个数为N，铜电极片的总个数为N；上端氧化铝陶瓷板和下端氧化铝陶瓷板的高度均为H1，宽度与长度相等，均为2W+2W
s
；所有热电半导体的高度均为H3、宽度均为W，相邻两个热电半导体的宽度间距为W
s
，外围热电半导体距离陶瓷板边界的距离为W
s
/2；铜电极片的高度为H2、宽度为2W+W
s
，第i个铜电极片的长度与第i个热电半导体的长度L
i
相等。
[0017]本专利技术的有益效果为：本专利技术根据每个热电半导体的温差来确定热电半导体的长度，且在热电半导体的输出功率增益值取到最优时，确定改进型温差发电模块热电半导体的最优长度，对热电半导体的横截面积进行优化；当使用相同数量的热电半导体，在一定范围内改进型温差发电模块的输出功率高于传统温差发电模块的输出功率。相对于传统温差发电模块，本专利技术能够解决温差发电模块产生的电流受到热电半导体最小电流限制而导致电能损耗的问题，通过改变热电半导体的横截面积，有效地提高用于流体余热回收的温差发电模块的输出性能，提高温差发电模块的热电转换效率。
附图说明
[0018]图1为热电半导体结构示意图；
[0019]图2为本专利技术温差发电模块的结构优化流程图；
[0020]图3为本专利技术温差发电模块的结构示意图；
[0021]图4为温差发电器俯视图；
[0022]图5为换热器剖视图；
[0023]图6为冷却器剖视图；
[0024]图7为Δl＝0.01mm时，不同负载电阻下改进型温差发电模块与传统温差发电模块的输出功率关系图；
[0025]图中：1-上端氧化铝陶瓷板，2-铜电极片，3-p型热电半导体，4-n型热电半导体，5-下端氧化铝陶瓷板。
具体实施方式
[0026]下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。
[0027]若将温差发电模块用于回收汽车尾气产生的废热，一个完整的温差发电器由换热器、温差发电模块和冷却器组成，其中温差发电模块放置于换热器和冷却器之间。
[0028]如图1所示，一种用于流体余热回收的温差发电模块，包括上端氧化铝陶瓷板1、铜电极片2、热电半导体和下端氧化铝陶瓷板5；其中，热电半导体包括p型热电半导体3和n型热电半导体4，且p型热电半导体3和n型热电半导体4通过铜电极片2串联后，夹在上端氧化铝陶瓷板1和下端氧化铝陶瓷板5之间。
[0029]参见图1，上端氧化铝陶瓷板和下端氧化铝陶瓷板的个数均为1，热电半导体的总个数为N，铜电极片的总个数为N；上端氧化铝陶瓷板和下端氧化铝陶瓷板的高度均为H1，宽度与长度相等，均为2W+2W
s
；第i(1≤i≤N)个热电半导体的长度为L
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于流体余热回收的温差发电模块的结构优化方法，其特征在于，包括步骤：步骤(1)，令i＝1、Δl＝q
×
j，改进型温差发电模块第i个热电半导体的长度判断i是否大于等于N，若是，则执行步骤(2)；否则令i＝i+1,重新计算L
i
，直到i＝N；其中：Δl为热电半导体的长度增量；迭代次数j＝1，2，3，
……
，初始值取1；常系数L
origin
为热电半导体的原始长度；ΔT
i
为第i个热电半导体的温差，ΔT
max
为所有热电半导体的最大温差，ΔT
min
为所有热电半导体的最小温差；N为热电半导体的总个数；步骤(2)，计算改进型温差发电模块的输出功率P
Δl
和传统温差发电模块的输出功率P
base ofΔl
，在j取不同值时，比较所述输出功率P
base ofΔl
是否大于等于P
Δl
，若是，则结束；否则令j＝j+1，并返回步骤(1)；步骤(3)，确定温差发电模块所有热电半导体长度L
i-all
，并比较不同j值时改进型温差发电模块输出功率相对于传统温差发电模块输出功率的增益大小，当δ
′
取最大值时，j为最优值，得到最优的Δl，从而确定热电半导体的最优长度L
′
i
，优化热电半导体的横截面积。2.根据权利要求1所述的用于流体余热回收的温差发电模块的结构优化方法，其特征在于，所述输出功率、温差通过在ANSYS仿真中建立流热电多物理耦合模型获取。3.根据权利要求1所述的用于流体余热回收的温差发电模块的结构优化方法，其特征在于，所述热电半导体的原始长度...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴麟麟，胡迎香，汪若尘，罗丁，余未，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：