英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
太阳能热电发电机性能优化的热设计和管理
肖金生，杨田起，李鹏，翟鹏程，张清杰
摘要
我们建立了基于低温热电材料碲化铋和中温热电材料填充方钴矿的热电模块的三维有限元模型。热电材料的材料性质，例如塞贝克系数，热导率和电导率是具有温度依赖性的。基于已建立的模型，我们提出了由低温和中温热电模块组成的多级模型。根据实际工作条件考虑输入能量对太阳能热电发电机性能的影响。结果表明，太阳能热电发电机合理的热设计可充分利用热电材料的特点，有效提高发电性能。
要点
我们模拟单级和多级热电模块。
多级模块的性能优于单级模块。
多级模块可以利用每种材料的特性。
基于多级模块的太阳能热电发电机性能更好。
关键词
太阳能；热电模块；热电发电机；性能优化；有限元分析
命名
|
C |
比热容（J / kg K） |
|
T |
温度（℃） |
|
|
单位体积的发热量（W / m3） |
|
|
热通量矢量（W / m2） |
|
|
电流密度矢量（A / m2） |
|
|
电通量密度矢量（C / m2） |
|
|
电场强度矢量（V / m） |
|
I |
负载电流（A） |
|
|
电负载（Omega;） |
|
P |
输出功率（W） |
|
|
输入功率（W） |
|
|
太阳辐射通量密度，1000W / m 2 |
|
|
光学聚焦系统的总浓度比 |
希腊符号
|
|
密度（kg / m3） |
|
|
热导率矩阵（W / mK） |
|
|
电导率矩阵，S / m |
|
|
塞贝克系数矩阵（V / K） |
|
|
介电常数矩阵（F / m） |
|
|
电标量电位（V） |
|
|
太阳能热电发电机的总效率 |
|
|
热电转换效率 |
|
|
光学聚焦效率 |
|
|
热收集器的吸收率 |
正文
- 介绍
太阳能热电发电机，使用集中的太阳辐射作为热源，已经有很多年的研究。Chen开发了一种用于讨论太阳能热电发电机性能的热力学模型[1]。Scherrer等人开发了卫星skutterudite太阳能热电发电机数值模型[2]。Omer和Infield提出了一种改进的太阳能热电发电机理论模型，包括对热传递过程有影响的所有参数，并将模拟结果与商业热电模块在发电模式下的实验数据进行比较[3]。Lietal提出了一个原型浓度太阳能热电发电机（CTG）和一个离散数值模型用于整个系统的评价[4]。所有这些理论和实验研究为太阳能热电发电机的发展奠定了基础。
太阳能热电发电机有许多优点，如无限保质期，结构简单，无活动部件，操作无声，无污染。但是，低转换效率使得其难以被广泛使用。太阳能热电发电机的转换效率主要受到热电材料的限制。在过去几年中，已经开发了许多高性能热电材料[5,6]，其中一些可商购。 碲化铋是一种效率高的低温热电材料，在低温（25-225℃）下能发挥更好的性能[7,8]；填充方钴矿是一种良好的中温热电材料，可用于宽温度范围生成（25-525°C）[9]。
除了热电材料的研究，热电发电机合理的热设计和管理对于提高发电性能同样非常的重要。 Chenetal建立了两级半导体热电发电机的理论模型[10]。El-Genk和Sabre提出了在973和300 K之间操作的分段热电单电子束的1-D分析模型[11]。在本文中，我们构造一个三维有限元模型[12,13]讨论分析低温和中温热电模块的性能特点。热电材料的材料性质，例如塞贝克系数，热导率和电导率是具有温度依赖性的。基于单级模型，我们提出太阳能热电发电机的两级和三级模型来讨论其性能特性，同时根据实际工作条件考虑输入能量对太阳能热电发电机性能的影响。
- 太阳能热电发电机数学模型
2.1.耦合热电方程
热电分析中的热流方程可以表示为：
(1)
其中，C，T，，分别代表密度，比热容，温度，每单位体积的热产生率和热通量矢量。
电荷的连续性方程为：
(2)
其中是电流密度矢量为电流密度矢量，是电通量密度矢量。
上述两个方程由热电本构方程组[12]耦合，
(3)
(4)
其中是热导率矩阵，是电导率矩阵，是塞贝克系数矩阵。是电场强度矢量，其中是电标量势。
热电耦合方程可以从上述方程获得，
(5)
(6)
其中是介电常数矩阵。
在本稳态模型中，所有部件的材料性质被认为是各向同性的。热电耦合方程可以写成：
(7)
(8)
上一节中描述的方程使用ANSYS是解决的，ANSYS是基于有限元方法的商业软件，适用于多物理场问题[13]。
2.2.太阳能热电发电机模型参数
2.2.1.几何模型
典型的太阳能热电发电机由光学聚焦系统，集热器，热电模块和冷却板组成。热电模块是太阳能热电发电机的主要部件。如图1所示。如图1a所示，热电模块由导电膜，绝热材料和98对单独的电子束组成。为了便于计算，我们在本文中仅分析了一个单独的单元。单形的几何模型如图1b所示。p型和n型热电材料通过导电膜连接，锯齿线代表电负载，单电子束的几何尺寸如表1所示。
图1. 热电模块和热电单元的几何模型
表1. 热电单元的几何尺寸
|
单位长度（mm） |
单位截面（mmtimes;mm） |
导电膜厚度（mm） |
单位间隙（mm） |
|
1.8 |
1times;1 |
0.1 |
0.4 |
2.2.2.材料特性
热电材料的选择直接影响发电机的性能。我们分别使用碲化铋和填充方钴矿作为低温和中温模块的材料。由于太阳能热电发电机在较大的温度差下工作，热电材料的材料特性如塞贝克系数，热导率和电导率是与温度相关的[7-9]。导电膜的导热率为300W / m·K。在本模型中不考虑接触电阻的影响。
2.2.3.边界条件
由光学聚焦系统聚焦的太阳辐射被热收集器吸收以转换成热能。输入热通量密度可以确定如下[4]：
(9)
其中是太阳辐射通量密度（=1000 W / m2）[1,14]，是光学聚焦系统的总浓度比，是光学聚焦效率，是集热器的吸收率。
实际的发电机由冷却水冷却。在本文中，假定发电机的冷却非常好，并且第一边界条件施加到具有25℃的固定值的热电模块的冷端。
在操作中，热损失主要包括对流损失和辐射损失。对流热损失是指发电机表面与环境空气之间的对流。辐射热损失是表面到环境的辐射。由于本文的主要工作是研究太阳能热电发电机在理想条件下的性能，因此不考虑由对流和辐射造成的热损失。
2.3.太阳能热电发电机的输出功率和转换效率
输出功率定义如下：
(10)
其中和分别代表负载电流和电负载。 因此，热电转换效率可以通过：
(11)
其中表示输入功率。太阳能热电发电机的总效率是热电转换效率，光学聚焦效率和热量收集器的吸收率的乘积。
(12)
- 结果与讨论
3.1.单级热电模块
单级热电模块的性能直接影响太阳能热电发电机的整体太阳能利用率。因此，低温和中温热电模块的发电性能和特性的分析应在太阳能热电发电机的热设计之前进行。
图2，图3示出了每个模块的转换效率和输出功率随着温差的增加而上升。当温度差从0℃上升到200℃时，碲化铋单焦点的转换效率分别从0％增加到10.82％，输出功率从0W增加到0.0279W。同时，方钴矿单焦点的转换效率和输出功率分别在500℃的温差下分别达到9.24％和0.1009W。从图中还可以看出，当单元件在25℃和225℃之间操作时，碲化铋单元的性能优于方钴矿单元的性能。因此，通过使用可充分利用每种热电材料的优点的多级热电模块，可以实现转换效率的有效提高。
图2. 转换效率对温度差的依赖性
图3. 输出功率对温度差的依赖性
3.2.两级热电模块
在上文中，我们分析了中低温热电单元的性能。该分析是研究两级热电模块的基础，该模块由低温模块和中温模块组成。中温模块设置在热端，而低温模块设置在冷端，根据热电材料的最佳工作温度，简化模型如图4所示。在不同的工作条件下计算两级热电单元的性能。
图4. 两级热电单元的几何模型
图5，图6，图7显示了两级热电单联的结温，输出功率和转换效率随着浓度比的增加而增加。当浓度比上升到173时，低温热电单元的热端温度达到约225℃的碲化铋的最大允许温度，并且浓度比不应再上升。同时，两级单双组的输出功率和转换效率分别获得约0.0353W和13.31％的最大值。低温热电单元的贡献约为0.0279W，而中温热电单极化的贡献约为0.0074W。发现两级模块的转换效率优于单级模块的转换效率模块，因为当热能通过两级热电模块时，热电转换发生两次。
图5. 两级热电模块的结温对浓度比的依赖性
图6. 两阶段单因素的输出功率对浓度比的依赖性
图7. 两阶段单因素的转换效率对浓度比的依赖性
3.3.三级热电模块
从两级模块的先前分析可以看出，当低温热电模块达到最大允许温度225℃时，中温热电模块的热端温度为362℃，远低于方钴矿的最大允许温度约525°C。因此，可以在两级热电模块的热侧上添加额外的中温模块以利用方钴矿在362℃和525℃之间的发电能力。建立了基于一个低温模块和两个中温模块的三级热电模块的分析模型，简化模型如图8所示。进行不同浓度比下的性能分析。
图8. 三阶热电单反的几何模型
图9示出了当浓度比上升到179时，低温热电单联组
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[140957]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
