一种用于流体余热回收的温差发电模块及其结构优化方法与流程

[0001]
本发明属于温差发电技术领域，具体涉及一种用于流体余热回收的温差发电模块及其结构优化方法。


背景技术：

[0002]
近年来，由于能源需求不断增加，热电转换技术作为一种极具发展前景的替代能源技术，以其无污染、无运动部件、无维护费用、使用寿命长等优点，引起了可再生能源研究的广泛关注。越来越多的研究人员尝试将温差发电机应用于废热回收领域，包括汽车、飞机和直升机、船舶和工业所产生的废热。
[0003]
温差发电模块是热电转换技术中的核心发电单元，它由上端氧化铝陶瓷板、热电半导体、铜电极片和下端氧化铝陶瓷板组成。但是温差发电模块的转换效率较低，远远不能满足商业应用的要求。因此，开发具有更高性能的热电材料和基于结构优化的温差发电模块可以在一定程度上提高温差发电系统的转换效率。当采用温差发电模块回收流体中所含的废热时，温差发电模块表面的温度分布不均匀，导致不同的热电半导体之间输出电流不同，温差发电模块的整体输出电流受到最小输出电流的限制。


技术实现要素：

[0004]
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种用于流体余热回收的温差发电模块及其结构优化方法，解决回收流体余热时，温差发电模块产生的电流受到热电半导体最小电流限制而导致电能损耗的问题。
[0005]
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0006]
一种用于流体余热回收的温差发电模块的结构优化方法，包括步骤：
[0007]
步骤(1)，令i＝1、δl＝q
×
j，改进型温差发电模块第i个热电半导体的长度判断i是否大于等于n，若是，则执行步骤(2)；否则令i＝i+1,重新计算l
i
，直到i＝n；
[0008]
其中：δl为热电半导体的长度增量；迭代次数j＝1，2，3，
……
，初始值取1；常系数l
origin
为热电半导体的原始长度；δt
i
为第i个热电半导体的温差，δt
max
为所有热电半导体的最大温差，δt
min
为所有热电半导体的最小温差；n为热电半导体的总个数；
[0009]
步骤(2)，计算改进型温差发电模块的输出功率p
δl
和传统温差发电模块的输出功率p
base ofδl
，在j取不同值时，比较所述输出功率p
base ofδl
是否大于等于p
δl
，若是，则结束；否则令j＝j+1，并返回步骤(1)；
[0010]
步骤(3)，确定温差发电模块所有热电半导体长度l
i-all
，并比较不同j值时改进型温差发电模块输出功率相对于传统温差发电模块输出功率的增益大小，当
δ
′
取最大值时，j为最优值，得到最优的δl，从而确定热电半导体的最优长度l
i
′
，优化热电半导体的横截面积。
[0011]
进一步，所述输出功率、温差通过在ansys仿真中建立流热电多物理耦合模型获取。
[0012]
进一步，所述热电半导体的原始长度l
origin
等于传统温差发电模块的宽度w，且
[0013]
进一步，热电半导体数量相同时，传统温差发电模块热电半导体的高度、宽度与改进型温差发电模块热电半导体的高度、宽度分别相等。
[0014]
更进一步，热电半导体数量相同时，传统温差发电模块所有热电半导体的总体积等于改进型温差发电模块所有热电半导体的总体积。
[0015]
一种用于流体余热回收的温差发电模块，包括上端氧化铝陶瓷板、铜电极片、热电半导体和下端氧化铝陶瓷板；所述热电半导体包括p型热电半导体和n型热电半导体，p型热电半导体和n型热电半导体通过铜电极片串联后，夹在上端氧化铝陶瓷板和下端氧化铝陶瓷板之间；所述第i个热电半导体的长度为l
i
，所述l
i
根据上述结构优化方法确定，1≤i≤n。
[0016]
上述技术方案中，所述上端氧化铝陶瓷板和下端氧化铝陶瓷板的个数均为1，热电半导体的总个数为n，铜电极片的总个数为n；上端氧化铝陶瓷板和下端氧化铝陶瓷板的高度均为h1，宽度与长度相等，均为2w+2w
s
；所有热电半导体的高度均为h3、宽度均为w，相邻两个热电半导体的宽度间距为w
s
，外围热电半导体距离陶瓷板边界的距离为w
s
/2；铜电极片的高度为h2、宽度为2w+w
s
，第i个铜电极片的长度与第i个热电半导体的长度l
i
相等。
[0017]
本发明的有益效果为：本发明根据每个热电半导体的温差来确定热电半导体的长度，且在热电半导体的输出功率增益值取到最优时，确定改进型温差发电模块热电半导体的最优长度，对热电半导体的横截面积进行优化；当使用相同数量的热电半导体，在一定范围内改进型温差发电模块的输出功率高于传统温差发电模块的输出功率。相对于传统温差发电模块，本发明能够解决温差发电模块产生的电流受到热电半导体最小电流限制而导致电能损耗的问题，通过改变热电半导体的横截面积，有效地提高用于流体余热回收的温差发电模块的输出性能，提高温差发电模块的热电转换效率。
附图说明
[0018]
图1为热电半导体结构示意图；
[0019]
图2为本发明温差发电模块的结构优化流程图；
[0020]
图3为本发明温差发电模块的结构示意图；
[0021]
图4为温差发电器俯视图；
[0022]
图5为换热器剖视图；
[0023]
图6为冷却器剖视图；
[0024]
图7为δl＝0.01mm时，不同负载电阻下改进型温差发电模块与传统温差发电模块的输出功率关系图；
[0025]
图中：1-上端氧化铝陶瓷板，2-铜电极片，3-p型热电半导体，4-n型热电半导体，5-下端氧化铝陶瓷板。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0027]
若将温差发电模块用于回收汽车尾气产生的废热，一个完整的温差发电器由换热器、温差发电模块和冷却器组成，其中温差发电模块放置于换热器和冷却器之间。
[0028]
如图1所示，一种用于流体余热回收的温差发电模块，包括上端氧化铝陶瓷板1、铜电极片2、热电半导体和下端氧化铝陶瓷板5；其中，热电半导体包括p型热电半导体3和n型热电半导体4，且p型热电半导体3和n型热电半导体4通过铜电极片2串联后，夹在上端氧化铝陶瓷板1和下端氧化铝陶瓷板5之间。
[0029]
参见图1，上端氧化铝陶瓷板和下端氧化铝陶瓷板的个数均为1，热电半导体的总个数为n，铜电极片的总个数为n；上端氧化铝陶瓷板和下端氧化铝陶瓷板的高度均为h1，宽度与长度相等，均为2w+2w
s
；第i(1≤i≤n)个热电半导体的长度为l
i
，第i+1个热电半导体的长度为l
i+1
，且所有热电半导体的高度均为h3、宽度均为w，相邻两个热电半导体的宽度间距为w
s
，外围热电半导体距离陶瓷板边界的距离为w
s
/2；铜电极片的高度为h2、宽度为2w+w
s
，第i个铜电极片的长度与第i个热电半导体的长度l
i
相等。
[0030]
如图2所示，一种用于流体余热回收的温差发电模块的结构优化方法，具体包括如下步骤：
[0031]
步骤(1)，通过温差发电系统的流热电多物理耦合模型，计算得到第i个热电半导体的热端温度为th
i
、冷端温度为tc
i
，第i+1个热电半导体的热端温度为th
i+1
、冷端温度为tc
i+1
；温差发电模块的输出功率p和第i个热电半导体的温差δt
i
；根据所有热电半导体的温差计算得到最大温差δt
max
和最小温差δt
min
；
[0032]
热电半导体热端温度th、冷端温度tc、温差δt和输出功率p，是通过在ansys仿真中建立流热电多物理耦合模型获取，流热电多物理耦合模型为：
[0033]
1)对于流场区域，遵循质量、动量和能量守恒定律：
[0034][0035][0036][0037]
式中，v为流体速度，ρ为流体密度，p
′
为流体压力，μ为动态黏度，λ为导热系数，c为比热容，t为热电半导体的温度，
▽
为梯度；
[0038]
另外，流体流动遵循k-ε湍流模型：
[0039][0040][0041]
其中：σ
k
、σ
ε
为k-ε湍流的普朗系数，g
k
为由于平均速度梯度产生的湍流动能，g
b
为由于浮力产生的湍流动能，y
m
为可压缩介质中波动膨胀对总耗散率的贡献，c
1ε
、c
2ε
、c
3ε
均为
常数；
[0042]
2)对于换热器、冷却器和陶瓷板的固体区域，满足能量守恒：
[0043][0044]
3)对于p型热电半导体和n型热电半导体，满足：
[0045][0046][0047]
式中，λ
p
(t)为p型热电半导体的热导率，λ
n
(t)为n型热电半导体的热导率，为p型热电半导体的电阻率，为n型热电半导体的电阻率，为p型热电半导体的塞贝克系数，为n型热电半导体的塞贝克系数，为电流密度矢量，t
p
为p型热电半导体的温度，t
n
为n型热电半导体的温度；
[0048]
4)对于铜电极片，满足：
[0049][0050]
式中，λ
co
为铜材料的热导率，为铜材料的电阻率；
[0051]
5)另外，电场守恒方程为：
[0052][0053][0054][0055]
式中，为电场密度矢量，φ为电动势，为塞贝克电动势。
[0056]
设置边界条件：自然对流换热系数、环境温度、空气和水的入口质量流量、空气和水的入口温度以及空气和水的出口边界设置为压力出口。
[0057]
步骤(2)，传统温差发电模块所有热电半导体的原始长度与宽度相等，即l
origin
＝w；令i＝1、则改进型温差发电模块第i个热电半导体的长度为：判断i是否大于等于n，若是，则进行下一步；若否，令i＝i+1，重新计算l
i
，直到其中，δl为热电半导体的长度增量；迭代次数j＝1，2，3，
……
，初始值取1；常系数(q保留一位有效数字)。
[0058]
步骤(3)，计算改进型温差发电模块的输出功率p
δl
和传统温差发电模块的输出功率p
base ofδl
；其中，热电半导体数量相同时，传统温差发电模块所有热电半导体的总体积等于改进型温差发电模块所有热电半导体的总体积，传统温差发电模块热电半导体的高度、宽度与改进型温差发电模块热电半导体的高度、宽度分别相等，即h3′
＝h3、w
′
＝w；传统温差发电模块所有热电半导体的长度l
origin
均相等，且为
[0059]
步骤(4)，在j取不同值时，比较传统温差发电模块的输出功率p
base ofδl
是否大于等
于改进型温差发电模块的输出功率p
δl
，若是，则停止循环；若否，则令i＝1，j＝j+1，返回步骤(2)重新进行计算。
[0060]
步骤(5)，确定改进型温差发电模块所有热电半导体长度l
i-all
，比较在不同j值情况下的改进型温差发电模块输出功率相比于传统温差发电模块输出功率的增益，即比较的大小，当δ
′
取到最大值时j为最优值，计算得到最优的δl，确定热电半导体的最优长度l
i
′
，优化热电半导体的横截面积。
[0061]
如图3所示，本实施例中温差发电模块使用的热电材料为bi2te3，相关尺寸参数为：n＝16，h1＝0.8mm，h3＝1mm，w＝1.4mm，w
s
＝1.1mm，h2＝0.35mm(参见表1)；设置边界条件：自然对流换热系数为15w/(m2·
k)，环境温度为300k，空气和水的入口质量流量分别设置为40g/s和166.7g/s，空气和水的入口温度分别设置为500k和300k，空气和水的出口边界设置为压力出口，且出口压强设置为标准大气压。如图4所示，16个热电半导体、16个铜电极片和陶瓷板形成的温差发电模块被放置在换热器与冷却器之间，形成一个完整的温差发电器；图5为换热器的剖视图，出入口管道直径为20mm、长度为50mm，集热箱长度为85mm、宽度和高度均为60mm，汽车尾气从换热器入口进入集热箱，集装箱内含有分流翅片，换热器经分流翅片充分吸热以更高效率回收汽车尾气废热；图6为冷却器的剖视图，冷却器长度和宽度均为40mm、高度为12mm，冷却器管路直径为2.75mm、长度为149.5mm，冷却器采用水冷方式进行冷却，冷却水从冷却器入口流进，经由冷却器内部管道冷却后从冷却器出口流出。
[0062]
表1改进型温差发电模块的尺寸参数
[0063][0064][0065]
温差发电器采用的材料和相应的材料性能在表2中列出。
[0066]
表2温差发电器采用的材料和相应的材料性能
[0067][0068][0069]
根据优化方法得出的改进型温差发电模块的16个热电半导体的温差δt和长度增量δl结果在表3中列出。
[0070]
表3改进型温差发电模块的16个热电半导体的温差δt和长度增量δl
[0071][0072]
另外，当负载电阻为0.3ω时，不同δl值的改进型温差发电模块与传统温差发电模块的输出功率关系在表4列出。
[0073]
表4负载电阻为0.3ω时不同δl值的改进型温差发电模块与传统温差发电模块的输出功率关系
[0074][0075]
如表4所示，当负载电阻为0.3ω时，不同δl值的改进型温差发电模块与传统温差发电模块的输出功率结果表明，温差发电模块的输出功率p随热电半导体的长度增量δl的增大而增大；在δl≤0.03mm时，改进型温差发电模块的输出功率高于相应传统温差发电模块的输出功率，且改进型温差发电模块输出功率的增益值δ
′
随着δl的增大而减小；在δl＝0.01mm时，改进型温差发电模块相比于传统温差发电模块的增益值δ
′
达到最大值；当δl≥0.04mm时，改进型温差发电模块的输出功率低于相应传统温差发电模块的输出功率，改进型温差发电模块输出功率的增益值δ
′
为负。
[0076]
如图7所示，在不同的负载电阻下，当δl＝0.01mm时改进型温差发电模块与传统温差发电模块的输出功率结果表明：改进型温差发电模块的输出功率明显大于传统温差发电模块的输出功率，验证了本发明的优化效果。若改进型温差发电模块中设置更多数量的热电半导体，优化效果会更明显。
[0077]
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。