新型热电发电机及其热电模块中热电半导体宽度计算方法

本发明涉及热电领域，尤其是新型热电发电机及其热电模块中热电半导体宽度计算方法。

背景技术：

1、近年来，热电发电机因为能够直接将余热转化为电能，且具有无运动部件、无污染、静音运行等诸多优点而备受关注。考虑到内燃机燃烧化石燃料产生的大约30％的热能以废气的形式释放到空气中，热电发电机无疑在汽车尾气的余热回收领域中具有广阔的应用前景。

2、热电发电机通常由换热器、热电模块和散热器组成。为了回收流体中所含的余热，利用热交换器吸收热量，然后将其传递给热电模块，在热电模块的冷端配置有散热器，因此，热电模块上会产生温差，又由于塞贝克效应，热电发电机会输出电流。

3、然而当使用热电发电机系统回收汽车尾气中所含的余热时，整体输出功率会受到沿热流方向温度下降的影响，串联时整体输出电流会受限于热电模块中最小的输出电流，并联时，整体输出电压会被限制在最小的输出电压，造成了电能的浪费。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供新型热电发电机及其热电模块中热电半导体宽度计算方法，沿热流方向采用不同热电半导体宽度的热电模块，其宽度沿热流方向不断增大，从而抵消排气管下行方向热流温度下降的影响，实现热电模块的均一输出，有效提升了热电发电机整体的输出性能。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种新型热电发电机，沿热流方向热电模块面积不断增大；新型热电发电机由换热器、热电模块、s型液冷长板组成。

4、换热器截面外侧设计为等六边形，截面内侧设计为圆形，且内外侧同心。

5、热电模块由陶瓷板、铜电极、p型热电半导体和n型热电半导体组成，p型热电半导体和n型热电半导体通过铜电极串联连接，并夹于上下陶瓷板之间。

6、s型液冷长板表面与热电模块的上端表面贴合，且内部流道设计为s型圆筒。

7、如图1所示，换热器与s型液冷长板的长度相同，均为l，热电模块到排气管两端口的距离及两个热电模块的间距均为t。

8、如图2所示，排气管的内侧直径为r1，换热器的圆形截面直径为r2，换热器等六边形截面的边长为l1。

9、如图3所示，每个热电模块包含b行b列的热电半导体，位于同一个热电模块的p型热电半导体和n型热电半导体的几何参数相同，每个热电模块的p型热电半导体、n型热电半导体的个数相同，均为n，n＝1，2，3，……，铜电极个数为2n，2n＝b2-2。

10、如图4所示，在所有热电模块中，陶瓷板的厚度为h1，铜电极的厚度为h2，p/n型热电半导体的长度和厚度分别为l2和h3，p型热电半导体与n型热电半导体的行间距相同，均为a。

11、如图5所示，s型液冷长板的厚度为h，s型液冷长板的侧面有两个圆孔，分别为流体的入口和出口，且s型液冷长板管道的直径为d。

12、上述技术方案中，换热器内侧与汽车排气管贴合，换热器六个表面各分布有m个热电模块，热电模块沿着热流方向等间距轴向分布，各表面的热电模块和散热器有相同的分布规律，在同一个换热器表面上，第1个热电模块靠近热流入口处，第m个热电模块靠近热流出口处；第i个热电模块中p型热电半导体和n型热电半导体的宽度为wi，p型热电半导体与n型热电半导体的列间距为i为整数，且1≤i≤m。

13、上述新型热电发电机中第i个热电模块热电半导体宽度wi的计算方法，包括以下步骤：

14、s1：假设第i+1个热电模块p/n型热电半导体的宽度与第i个热电模块p/n型热电半导体的宽度的差值为δw，即δw＝wi+1-wi，其中，δw满足关系：w1为已知。

15、s2：建立热阻模型，令tw为热电模块对应的排气管分段与热流接触面的温度，th_i为第i个热电模块的热端平均温度，排气管到热电模块热端的热阻

16、其中：u1为排气管的厚度，h3为p/n型热电半导体的厚度，u2为换热器的平均厚度，λ1为排气管的热导率，λ2为换热器的热导率，λ3为陶瓷板的热导率，a1为换热器与热流接触面的表面积，a2为换热器与散热器接触面的表面积，a3为陶瓷板与换热器接触面的表面积。

17、s3：通过吸热量方程计算得到热电模块吸收的热量qh；

18、其中：c为热流的比热容，为热流的质量流量，δt为该排气管分段的两端温差，l3为热电模块陶瓷板的宽度，l表示排气管的长度。

19、s4：通过计算得到对流换热系数h，根据gnielinski经验公式，这里取空气和水的平均nusselt数，表示为f＝(1.82lgre-1.64)-2，雷诺数普朗特数

20、其中：λ表示热导率，d表示水力直径；水力直径d＝2r1，r1为排气管的内径。

21、s5：通过吸热量方程计算得到第i个热电模块的热端平均温度

22、其中：a为管道内部的横截面积，h表示对流换热系数，表示第i个热电模块对应的排气管分段的热流平均温度，th表示热电模块热端温度，rh表示排气管到热电模块热端的热阻，qh表示热电模块吸收的热量。

23、s6：通过方程计算得到第i个热电模块的内阻：

24、

25、其中，ρp表示p型热电半导体的电阻率，ρn表示n型热电半导体的电阻率，n表示每个热电模块的p型热电半导体或n型热电半导体的个数，ρ铜表示铜电极的电阻率。

26、s7：第i个热电模块的输出电流

27、其中，n表示每个热电模块的p型热电半导体或n型热电半导体的个数，α表示塞贝克系数，th_i为第i个热电模块的热端平均温度，tc表示热电模块的冷端温度。

28、s8：令第i个热电模块的输出电流等于第i+1个热电模块的输出电流，即：计算得到第i个热电模块的热电半导体宽度和第i+1个热电模块的热电半导体宽度之间的温度关系，即满足方程：(th_i-tc)wi＝(th_i+1-tc)wi+1。

29、s9：计算第i个热电模块对应排气管分段的热流平均温度其等于第i个热电模块沿热流方向两端边界的温度平均值，即满足方程：

30、

31、其中，tin和tout分别为热流入口和热流出口的温度，t为热电模块到排气管两端口的距离及两个热电模块的间距，l3为热电模块陶瓷板的宽度，且均为已知条件。

32、s10：确定δw与热流温度之间的大小关系，令s9中的i＝1，即

33、其中，δw表示第i+1个热电模块p/n型热电半导体的宽度与第i个热电模块p/n型热电半导体的宽度的差值，由s9得到，

34、s11：计算热流方向上每一个热电模块的热电半导体宽度，即wi＝w+(i-1)△w

35、本发明新型热电发电机及其热电模块中热电半导体宽度计算方法，具有以下技术效果：

36、1)、本发明热电发电机沿热流方向采用不同热电半导体宽度的热电模块，其宽度沿热流方向不断增大，通过每个热电模块的工作温度求解其宽度的公差，可以计算得到每个热电模块的宽度，最终实现了不同热电模块的均一性输出，提高了热电发电整体的输出性能。

37、2)、本发明与现有的六角型热电发电机不同之处在于：其采取不同热电半导体宽度的热电模块，其宽度沿热流方向逐渐增大，从而抵消汽车排气管下行方向热流温度下降的影响，极大提高了汽车尾气余热的回收利用率。

38、3)、通过增大尾气下行方向上热电模块热电半导体的宽度来增大热电模块的面积，使得热电模块的输出电流均相等，克服电流受限的难题，提高热电发电机整体的输出性能。

39、4)、本发明通过建立热电发电机的热阻模型，计算得到热电模块中热电半导体宽度变化的公差表达式，通过热流及热电发电机的相关参数即可确定热电模块中热电半导体的宽度，计算方便快捷。

40、5)、针对背景部分提到的问题，一些研究人员采用一种变面积的环形热电器件，热电器件中的热电半导体沿热流方向其截面积不断增加，从结构出发来克服这一难题。其设计的单个热电模块结构中采用了多种不同尺寸的热电半导体，结构较为复杂，而本发明单个热电模块采用相同尺寸的热电半导体，更易于进行批量化生产与应用。