一种分段温差发电器结构的优化方法技术

本发明专利技术涉及一种分段温差发电器结构的优化方法利用傅里叶定律和微积分的计算原理对分段温差发电器内部的温度分布进行了分析，并在分析过程中充分考虑了温度对热电材料性能的影响，从而对分段温差发电器内部热电臂的横截面积和不同热电材料高度的计算方法进行优化，从而提高分段温差发电器的结构优化精度。从而提高分段温差发电器的结构优化精度。从而提高分段温差发电器的结构优化精度。

【技术实现步骤摘要】
一种分段温差发电器结构的优化方法


[0001]本专利技术涉及温差发电器结构优化
，具体涉及一种分段温差发电器结构的优化方法。

技术介绍

[0002]随着人们对于未来能源短缺、环境污染和全球变暖等问题的担忧不断增强，清洁能源的发展是目前研究的重点。温差发电技术是一种基于塞贝克效应的固体发电技术，可以直接将热能转化为电能。温差发电器(Thermoelectric Generator,TEG)由于具有体积小，结构简单，寿命长，无污染等优点，从而受到了人们的关注。
[0003]虽然温差发电器具有以上诸多优点，但其输出效率较低等问题导致其并没有被广泛应用。将梯度功能材料的概念应用与热电材料上，使得每段热电材料工作于最佳的合适温度范围，从而可以提高温差发电器本身的效率。该材料一般被称为分段热电材料，而由该热电材料构建的温差发电器则被称为分段温差发电器(Segmented Thermoelectric Generator,STEG)。
[0004]分段发电器的结构优化与温差发电器相似，传统TEG中P型和N型热电臂的形状为长方体，因此需要进行优化的结构参数便是热电臂的高度和横截面积的大小。在传统温差发电器结构优化的研究过程中，其输出效率的计算公式如公式(1)所示：
[0005][0006]式中：
[0007]η——为温差发电器的输出效率；
[0008]T
h
，T
c
——分别为温差TEG的热端和冷端的温度；
[0009]K——为TEG的热导系数；
[0010]R
L
，R
i
——分别为TEG的外接电阻和内阻；
[0011]α
PN
——为PN型热电臂的等效塞贝克系数。
[0012]利用公式可知，TEG输出效率的大小与热电材料性能(塞贝克系数，热导率，电阻率有关)、冷热端的温度和外接电阻大小有关。
[0013]传统TEG的计算过程中，PN型热电臂的热电材料性能是以平均值来替代热电材料实际性能进行简化计算的，经过计算后，输出效率达到最大值时，其所对应的P型和N型热电臂的横截面积计算方法如式(2)所示：
[0014][0015]A
p
，A
N
——分别为P型和N型热电臂的横截面积；
[0016]κ
P
，κ
N
——分别为P型和N型热电臂的热导率；
[0017]ρ
P
，ρ
N
——分别为P型和N型热电臂的电阻率。
[0018]在热电材料性能的研究过程中，人们提出了优值系数Z的概念，以此来比较热电材料性能的大小。基于公式(1)，人们推导出了PN型热电臂所对应的Z值计算表达式(如式(3)所示)。
[0019][0020]在传统的研究过程中，多数没有考虑温度对热电材料性能的影响，从而使得最终的计算结果与实际结果往往有所偏差。

技术实现思路

[0021]针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种分段温差发电器结构的优化方法，其充分考虑了温度对材料的影响，以提高结构的设计精度。
[0022]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0023]一种分段温差发电器结构的优化方法，所述优化方法利用傅里叶定律和微积分的计算原理对分段温差发电器内部的温度分布进行了分析，并在分析过程中充分考虑了温度对热电材料性能的影响，从而对分段温差发电器内部热电臂的横截面积和不同热电材料高度的计算方法进行优化：
[0024]对于P型和N型热电臂，其均由n层热电臂组成，其中，n≥3；第i层热电材料与第i+1层热电材料交界处的温度分别为T
sbi
和T
sai
，第i层热电材料的热导率分别为κ
SPi
和κ
SNi
，第i层热电材料的电阻率分别为ρ
SPi
和ρ
SNi
，同时忽略铜导流片和陶瓷的热导率对温度传播的影响，则P型和N型分段热电臂的冷热端温度皆是T
c
和T
h
，T
sb0
＝T
sa0
＝T
c
；T
sbn
＝T
san
＝T
h
；
[0025]在热端温度T
h
和冷端温度T
c
的范围内，根据热电材料属性设定每两层热电材料交界处的温度，求取分段温差发电器的内阻如下:
[0026][0027][0028]R
St
＝R
SN
+R
SP
[0029]其中，R
SP
，R
SN
——分别为P型和N型分段热电臂的电阻；
[0030]R
St
——为PN型分段热电臂的电阻；
[0031]H
S
——为分段热电臂的总高度；
[0032]A
SP
，A
SN
——分别为P型和N型分段热电臂的横截面积，计算如下：
[0033][0034]然后依据以下公式计算分段温差发电器的输出效率最大值：
[0035][0036]式中：
[0037]η——为输出效率最大值；
[0038]K——为热导系数；
[0039]R
L
，R
i
——分别为TEG的外接电阻和内阻，R
i
为R
St
；
[0040]α
PN
——为PN型热电臂的等效塞贝克系数；
[0041]在热端温度T
h
和冷端温度T
c
的范围内，根据热电材料属性重新设定每两层热电材料交界处的温度，然后依据上述方法计算出新的输出效率最大值；
[0042]重复上述操作，得到多个输出效率最大值，从中选择一个最大的输出效率最大值，根据该最大的输出效率最大值对应的每两层热电材料交界处的温度，计算出分段温差发电器的结构参数，具体如下：
[0043]P型和N型分段热电臂的第i层热电材料的高度值如下：
[0044][0045]P型热电臂和N型热电臂的横截面积之比如下：
[0046][0047]所述分段温差发电器的优值系数Z的计算如下：
[0048][0049]采用上述方案后，利用傅里叶定律和微积分的计算原理对分段温差发电器内部的温度分布进行了分析，并在分析过程中充分考虑了温度对热电材料性能的影响，从而对分段温差发电器内部热电臂的横截面积和不同热电材料高度的计算方法进行优化，从而提高分段温差发电器的结构优化精度。
附图说明
[0050]图1为分段温差发电器内部PN型热电臂结构示意图；
[0051]图2为单层均质平板的一维稳态导热示意图；
[0052]图3为二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分段温差发电器结构的优化方法，其特征在于：所述优化方法利用傅里叶定律和微积分的计算原理对分段温差发电器内部的温度分布进行了分析，并在分析过程中充分考虑了温度对热电材料性能的影响，从而对分段温差发电器内部热电臂的横截面积和不同热电材料高度的计算方法进行优化：对于P型和N型热电臂，其均由n层热电臂组成，其中，n≥3；第i层热电材料与第i+1层热电材料交界处的温度分别为T
sbi
和T
sai
，第i层热电材料的热导率分别为κ
SPi
和κ
SNi
，第i层热电材料的电阻率分别为ρ
SPi
和ρ
SNi
，同时忽略铜导流片和陶瓷的热导率对温度传播的影响，则P型和N型分段热电臂的冷热端温度皆是T
c
和T
h
，T
sb0
＝T
sa0
＝T
c
；T
sbn
＝T
san
＝T
h
；在热端温度T
h
和冷端温度T
c
的范围内，根据热电材料属性设定每两层热电材料交界处的温度，求取分段温差发电器的内阻如下:的温度，求取分段温差发电器的内阻如下:R
St
＝R
SN
+R

【专利技术属性】
技术研发人员：曹文胜，徐建壮，雷杰，王保霖，
申请(专利权)人：集美大学，
类型：发明
国别省市：