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文檔簡介
溫差發(fā)電器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能分析
近年來,隨著煤、油、天然氣等石化燃料的大量使用,環(huán)境污染在中國越來越嚴重,甚至出現(xiàn)了嚴重的“霧雨”。使用安全、清潔可靠的可再生能源無疑是節(jié)省化石能源和保護環(huán)境的重要舉措。作為眾多有潛力的轉(zhuǎn)換能源的方式之一,溫差發(fā)電技術(shù)以其安全可靠、無噪音、可重復(fù)利用以及具有廢熱利用能力而受到諸多研究學(xué)者的廣泛關(guān)注溫差發(fā)電技術(shù)是利用半導(dǎo)體器件在溫差的作用下形成的seebeck效應(yīng)來產(chǎn)生電動勢的,它可以直接將熱能轉(zhuǎn)換成電能,目前它廣泛運用于航天衛(wèi)星已有的研究工作多集中于提高熱電材料的優(yōu)值系數(shù)1理論分析的模型1.1熱電發(fā)電器件轉(zhuǎn)換效率的確定溫差電單體對的效率定義為器件輸出電功與其熱端吸收的熱量之比,即式中,η表示溫差電器件的轉(zhuǎn)換效率;P表示輸出功;Q電偶臂冷熱端面的熱流分別為式中,Q則電流I為負載上消耗的能量為若設(shè)R由式(6)可見,熱電發(fā)電器件的轉(zhuǎn)換效率取決于3個因素:冷熱端的溫度、外接負載阻值和熱電材料的物性參數(shù)。Z為熱電材料的優(yōu)值系數(shù),α是溫差電單體對的塞貝克系數(shù),K在效率公式(6)中,當(dāng)溫差電單體的材料、溫差以及外接負載阻值確定后,為了得到最高的轉(zhuǎn)換效率,則應(yīng)使K在此引入兩個參數(shù)D和S,設(shè)D=L/A叫單體的形狀因子,對公式(8)進行求導(dǎo)可得存在最佳的形狀因子比S若選擇熱電臂的形狀為圓柱,p、n型熱電臂的高度相等,則可得到經(jīng)過優(yōu)化后的p、n結(jié)的直徑分別為d此外,如果令消耗熱電臂材料總的體積相等,傳統(tǒng)式熱電臂的尺寸d1.2傳統(tǒng)式和尺寸優(yōu)化式調(diào)文中建立了包含18對熱電單元的傳統(tǒng)式和尺寸優(yōu)化式溫差發(fā)電器的物理模型。圖1所示即為兩種溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)圖,它們均由聚熱層(Al圖2所示是單個P-N結(jié)的尺寸圖。聚熱層的厚度為H根據(jù)最大效率對應(yīng)的理論解,當(dāng)溫差電單體的材料、溫差以及外接負載阻值確定后,尺寸優(yōu)化式和傳統(tǒng)式熱電材料的基本尺寸亦可確定。如圖3所示即為傳統(tǒng)式和尺寸優(yōu)化式溫差發(fā)電片內(nèi)部的排布圖。溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)尺寸具體由表1給出。1.3邊境條件文中溫差電材料選用了圓柱狀的低溫段Bi1.4積分法為了驗證模擬結(jié)果的有效性,在使用有限元分析軟件ANSYS計算前,完成了網(wǎng)格無關(guān)性分析。在所給定的邊界條件下,當(dāng)內(nèi)阻為0.4Ω(溫差發(fā)電器內(nèi)阻)時,網(wǎng)格單元數(shù)為1075545,輸出電壓0.47535V;網(wǎng)格單元數(shù)為1164057,輸出電壓0.47533V;網(wǎng)格單元數(shù)為1409925,輸出電壓0.47536V。輸出電壓最大差距不超過0.0063%,可認為計算結(jié)果是準確的,文中采用的網(wǎng)格單元數(shù)為1164057。2兩種積分法輸出功與效率的變化規(guī)律圖4所示為兩種溫差電結(jié)構(gòu)的輸出電壓隨外阻的變化曲線圖。從圖4中可以發(fā)現(xiàn),在邊界條件相同時,對于均含有18對P-N結(jié)單元的傳統(tǒng)式和尺寸優(yōu)化式溫差電器件來說,其輸出電壓總體相差并不大,這主要是由輸出電壓與溫差電單元的對數(shù)直接決定。但由于設(shè)計結(jié)構(gòu)的改變,導(dǎo)致了尺寸優(yōu)化式結(jié)構(gòu)的輸出電壓略高于傳統(tǒng)式,并且輸出電壓隨外阻的增加而增大,但其增長率卻在降低。在此定義電壓的增長率為當(dāng)R=0.1Ω時,增加率為1.99%;當(dāng)R=0.4Ω時,增加率為1.34%;當(dāng)R=0.8Ω時,增加率為0.93%。下文中輸出功和效率的增長率同樣如此定義。圖5所示為兩種溫差電結(jié)構(gòu)的輸出功隨外阻的變化曲線圖。從圖5中可以看出,兩種結(jié)構(gòu)的溫差電器件的輸出功均隨外阻的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,并且在外阻為0.4Ω時達到最大值,此時對應(yīng)的阻值即為溫差電器件的總內(nèi)阻。總體看來,尺寸優(yōu)化式結(jié)構(gòu)的輸出功在整個工況下均大于傳統(tǒng)式結(jié)構(gòu),并且隨外阻值的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,在0.4Ω時兩者之間的差距達到最大0.01484W,增加了2.7%。輸出功的增長率同電壓相似,隨外阻的增加逐漸減小。圖6所示為兩種溫差電結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換效率隨外阻的變化曲線圖。效率的變化曲線與輸出功的變化相似,均是隨外阻的增加先增大后減小,但此時效率的最大值點對應(yīng)的阻值在0.5Ω左右。從整體來看,尺寸優(yōu)化式溫差電結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)式大,并且隨外阻的增加同樣呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢,兩者的最大差距出現(xiàn)在0.5Ω左右。這正好驗證了相對于傳統(tǒng)式的溫差電器件,使用尺寸優(yōu)化式溫差電結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換效率會有提升。效率的增長率同電壓和輸出功相似,隨外阻的增加逐漸減小。3外阻對輸出功和轉(zhuǎn)換效率的影響a.相對于傳統(tǒng)式結(jié)構(gòu),尺寸優(yōu)化式結(jié)構(gòu)的輸出電壓略有提高,并且增加的幅度隨外阻的增大而增大,但其增長率隨外阻的增加而減小;b.相對于傳統(tǒng)式結(jié)構(gòu),尺寸優(yōu)化式結(jié)構(gòu)的輸出功整體上出現(xiàn)增加,并且增加的幅度隨外阻的增大出現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在0.4Ω(內(nèi)阻和外阻相等)時,二者輸出功之間相差達到了最大值0.01484W。其輸出功增長率同樣隨外阻的增加而減小;c.相對于傳統(tǒng)式結(jié)
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