本发明专利技术公开了一种考虑封装热阻的温差发电建模方法，该方法考虑了等效电路内阻受温度和内部实际温差的影响，改进了传统的温差电源模块的阵列电路模型，提高了建模精度，此外，该方法还通过Matlab/Simulink仿真与实验对比说明了改进后建模模型的可行性与有效性，并将所提模型在多个温度不匹配的温差发电片中加以测试，降低模型的误差。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及温差发电建模，特别是一种考虑封装热阻的温差发电建模方法。
技术介绍
1、随着人们对环境保护的日益重视，温差发电电源因清洁环保、结构简单、安全可靠等优点而逐渐得到了开发利用。温差发电技术能够有效的利用工业生产和居民生活中的余热，从而达到节能减排的目的。在实际应用中，本领域技术人员会利用b2fesi2材料制成的温差电源模块，通过贴在锅炉内壁，利用内外温差发电，实现了能量回收利用，同时还可以根据使用需求制作不同类型的温差发电机。
2、温差电源输出功率与温差大小、环境温度、负载等密切相关，基于上述相关建立快速精确的模型，能够更好的分析和设计温差发电系统。然而现有的模型在实际应用过程中并不完善，例如温差电源的仿真模型，这种仿真模型是通过测取不同温度与流速下的电压与内阻关系，然后利用线形拟合得到的，这种仿真模型没有考虑内阻受温度影响、精度较低；还有温差电源的数学模型，这种模型是从温差电源发电原理出发，通过公式推导温差电源的输出功率与其内部参数的关系建立的，这种模型参数难以精确获取、仿真速度慢；还有温差发电器的系统模型，这种模型是基于温差发电技术和热力学的基本原理建立的，这种模型主要针对低温系统进行研究，没有考虑到温度较高时系统建模进行研究；此外，还有人分析了上述三种温差发电的数学模型，设计了提高温差发电效率的方法，但这种方法对温差相对较大时系统的状况缺乏考虑。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了解决上述问题，设计了一种考虑封装热阻的温差发电建模方法。
>2、一种考虑封装热阻的温差发电建模方法，该方法包括如下步骤：3、步骤一，依据实际输出电压-电流关系的等效电路模型得到温差电压源和效电阻的输出关系式，利用温差电压源和效电阻的输出关系式推导温差电源模块内部热板和冷板温差表达式并分析引起温差电源模块内部温度下降的主要因素，提取主要因素作为模块参数并建立温差电源模块内部温差与负载电流的近似线性函数关系，根据近似线性函数关系计算开路条件下温差电源模块内部温差δtlnt,io；
4、步骤二，利用温差电源模块内部温差与负载电流的近似线性函数关系推导温差电源模块的v-i特性，将温差电压源和效电阻的输出关系式饿温差电源模块的v-i特性相结合得到外温差系数αteg和内温差系数αm的关系式以及内阻rm和有效电阻rteg的关系式，将外温差系数αteg和内温差系数αm的关系式以及内阻rm和有效电阻rteg的关系式代入温差电源模块的v-i特性得到温差电源模块电源模型；
5、步骤三，以温差电源模块电源模型为基础，在温差电源模块通过串并联组成温差阵列时，推导温差电源模块电源阵列模型。
6、所述步骤一中提取的模块参数包括：km、kc和αm，其中，km为温差电源模块的面积，kc为温差电源模块的长度，αm为温差电源模块的内温差系数。
7、所述步骤一中温差电压源和效电阻的输出关系式为：
8、v＝αteg(th-tc)-rtegi＝αtegδt-rtegi (1)
9、式中i为电流，th为温差电源模块外部冷端温度，tc为温差电源模块内部热端温度，th-tc为温差电源模块的外部温差；
10、温差电源模块单元内部温差表达式为：
11、
12、由上式(2)可知，引起温差电源模块内部温度下降的主要因素是流经其内部电流的帕尔贴效应造成的，温差电源模块参数km、kc和αm的表达式为式(3)所示：
13、
14、
15、式(3)中，s为颗粒的塞贝克系数，k为热导率，ρ为电阻率，κ是由陶瓷板和铜互连组成的寄生元件的有效热导率；
16、将式(2)中的电流i微分，可得温差电源模块内部温差与负载电流的近似线性函数关系，近似斜率为：
17、
18、当电源开路时，由式(2)可得：
19、
20、利用内部温差与负载电流的近似线性关系，即结合式(4)和式(5)，可得内部温差为：
21、
22、进而可得，温差电源模块单元v-i特性近似为：
23、
24、根据式(1)和式(7)，可以温差电源模型的内在温差模型参数和外在温差模型参数关系为：
25、
26、
27、所述步骤三中设p型半导体的任意截面的热量q(x)结合傅里叶定理、傅里叶传导热和焦耳焦尔效应可表示为：
28、
29、式(10)中e为单个温差模块电动势，e(x)为单个粒子电动势，考虑帕尔贴效应，p型和n型半导体热结处的总热量qh为：
30、
31、rmp＝ρpep+ρnen (12)
32、式(11)中g为帕尔贴系数，总热量qh为：
33、
34、rmc＝ρcec+ρnen (14)
35、输出功率可表示为：
36、
37、当输出功率最大时，对式(15)求导，得到输出功率最大时的电流imax：
38、
39、上式中，热电阻引起的温度衰减kc、珀耳帖效应引起的温度下降km和内温差系数αm在相同的温差下为定值，内阻rm越小，电流imax越大，即输出功率最大；
40、式(12)和式(14)说明内阻rm与e成正比关系，e越小，内阻越小，这里认为热电臂的体积为一恒定值v0，温差发电片最大功率与体积的关系可用最优问题表示：
41、
42、解得：
43、
44、由上式解得热电臂截面积沿长度方向最佳函数a(x)为：
45、
46、内阻rm为：
47、rm＝rmh+rmc＝ρheh+ρcec+2ρnen (20)
48、式(20)中，rm为温差模块内阻，eh为温差模块热端温度，ec为温差模块冷端温度，en为长度与面积之比，ρc为半导体材料的电阻率。
49、当温差电源模块通过串并联组成温差阵列时，如果所有模块温差和参数对称，那么阵列模型可表示为：
50、
51、式(21)中，ns为每串串联的温差电源模块单元个数，np为并联温差模块组串个数。
52、有益效果
53、利用本专利技术的技术方案制作的一种考虑封装热阻的温差发电建模方法，其具有如下优势：
54、本专利技术申请的技术方案充分考虑了内阻和等效电源受温度影响的电路模型，提升了模型精度；此外，分析了温差电源阵列模型不匹配导致的局部最大功率点问题，通过实验和工程应用，验证模型和算法有效性和可行性。
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【技术保护点】
1.一种考虑封装热阻的温差发电建模方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种考虑封装热阻的温差发电建模方法，其特征在于，所述步骤一中提取的模块参数包括：km、kc和αm，其中，km为温差电源模块的面积，kc为温差电源模块的长度，αm为温差电源模块的内温差系数。
3.根据权利要求1所述的一种考虑封装热阻的温差发电建模方法，其特征在于，所述步骤一中温差电压源和效电阻的输出关系式为：
4.根据权利要求1所述的一种考虑封装热阻的温差发电建模方法，其特征在于，利用内部温差与负载电流的近似线性关系，即结合式(4)和式(5)，可得内部温差为：
5.根据权利要求1所述的一种考虑封装热阻的温差发电建模方法，其特征在于，所述步骤三中设P型半导体的任意截面的热量q(x)结合傅里叶定理、傅里叶传导热和焦耳焦尔效应可表示为：
【技术特征摘要】
1.一种考虑封装热阻的温差发电建模方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种考虑封装热阻的温差发电建模方法，其特征在于，所述步骤一中提取的模块参数包括：km、kc和αm，其中，km为温差电源模块的面积，kc为温差电源模块的长度，αm为温差电源模块的内温差系数。
3.根据权利要求1所述的一种考虑封装热阻的温差发电建模方法，其特征在于，所述步骤...
【专利技术属性】
技术研发人员：林士珺，唐圣学，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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