温差发电器件结构优化与性能分析

温差发电器件结构优化与性能分析

近年来，随着煤、油、天然气等石化燃料的大量使用，环境污染在中国越来越严重，甚至出现了严重的“雾雨”。使用安全、清洁可靠的可再生能源无疑是节省化石能源和保护环境的重要举措。作为众多有潜力的转换能源的方式之一,温差发电技术以其安全可靠、无噪音、可重复利用以及具有废热利用能力而受到诸多研究学者的广泛关注温差发电技术是利用半导体器件在温差的作用下形成的seebeck效应来产生电动势的,它可以直接将热能转换成电能,目前它广泛运用于航天卫星已有的研究工作多集中于提高热电材料的优值系数1理论分析的模型1.1热电发电器件转换效率的确定温差电单体对的效率定义为器件输出电功与其热端吸收的热量之比,即式中,η表示温差电器件的转换效率;P表示输出功;Q电偶臂冷热端面的热流分别为式中,Q则电流I为负载上消耗的能量为若设R由式(6)可见,热电发电器件的转换效率取决于3个因素:冷热端的温度、外接负载阻值和热电材料的物性参数。Z为热电材料的优值系数,α是温差电单体对的塞贝克系数,K在效率公式(6)中,当温差电单体的材料、温差以及外接负载阻值确定后,为了得到最高的转换效率,则应使K在此引入两个参数D和S,设D=L/A叫单体的形状因子,对公式(8)进行求导可得存在最佳的形状因子比S若选择热电臂的形状为圆柱,p、n型热电臂的高度相等,则可得到经过优化后的p、n结的直径分别为d此外,如果令消耗热电臂材料总的体积相等,传统式热电臂的尺寸d1.2传统式和尺寸优化式调文中建立了包含18对热电单元的传统式和尺寸优化式温差发电器的物理模型。图1所示即为两种温差发电器的结构图,它们均由聚热层(Al图2所示是单个P-N结的尺寸图。聚热层的厚度为H根据最大效率对应的理论解,当温差电单体的材料、温差以及外接负载阻值确定后,尺寸优化式和传统式热电材料的基本尺寸亦可确定。如图3所示即为传统式和尺寸优化式温差发电片内部的排布图。温差发电器的结构尺寸具体由表1给出。1.3边境条件文中温差电材料选用了圆柱状的低温段Bi1.4积分法为了验证模拟结果的有效性,在使用有限元分析软件ANSYS计算前,完成了网格无关性分析。在所给定的边界条件下,当内阻为0.4Ω(温差发电器内阻)时,网格单元数为1075545,输出电压0.47535V;网格单元数为1164057,输出电压0.47533V;网格单元数为1409925,输出电压0.47536V。输出电压最大差距不超过0.0063%,可认为计算结果是准确的,文中采用的网格单元数为1164057。2两种积分法输出功与效率的变化规律图4所示为两种温差电结构的输出电压随外阻的变化曲线图。从图4中可以发现,在边界条件相同时,对于均含有18对P-N结单元的传统式和尺寸优化式温差电器件来说,其输出电压总体相差并不大,这主要是由输出电压与温差电单元的对数直接决定。但由于设计结构的改变,导致了尺寸优化式结构的输出电压略高于传统式,并且输出电压随外阻的增加而增大,但其增长率却在降低。在此定义电压的增长率为当R=0.1Ω时,增加率为1.99%;当R=0.4Ω时,增加率为1.34%;当R=0.8Ω时,增加率为0.93%。下文中输出功和效率的增长率同样如此定义。图5所示为两种温差电结构的输出功随外阻的变化曲线图。从图5中可以看出,两种结构的温差电器件的输出功均随外阻的增加呈现出先增大后减小的趋势,并且在外阻为0.4Ω时达到最大值,此时对应的阻值即为温差电器件的总内阻。总体看来,尺寸优化式结构的输出功在整个工况下均大于传统式结构,并且随外阻值的增加呈现出先增大后减小的趋势,在0.4Ω时两者之间的差距达到最大0.01484W,增加了2.7%。输出功的增长率同电压相似,随外阻的增加逐渐减小。图6所示为两种温差电结构的转换效率随外阻的变化曲线图。效率的变化曲线与输出功的变化相似,均是随外阻的增加先增大后减小,但此时效率的最大值点对应的阻值在0.5Ω左右。从整体来看,尺寸优化式温差电结构的转换效率比传统式大,并且随外阻的增加同样呈现出先增加后减小的趋势,两者的最大差距出现在0.5Ω左右。这正好验证了相对于传统式的温差电器件,使用尺寸优化式温差电结构的转换效率会有提升。效率的增长率同电压和输出功相似,随外阻的增加逐渐减小。3外阻对输出功和转换效率的影响a.相对于传统式结构,尺寸优化式结构的输出电压略有提高,并且增加的幅度随外阻的增大而增大,但其增长率随外阻的增加而减小;b.相对于传统式结构,尺寸优化式结构的输出功整体上出现增加,并且增加的幅度随外阻的增大出现先增大后减小的趋势,在0.4Ω(内阻和外阻相等)时,二者输出功之间相差达到了最大值0.01484W。其输出功增长率同样随外阻的增加而减小;c.相对于传统式结