一种变引脚横截面积的温差发电片及其横截面积的确定方法与流程

本发明属于温差发电、热电转化、尾气能量回收领域，具体涉及一种变引脚横截面积的温差发电片及其横截面积的确定方法。

背景技术：

近年来，能源危机、环境污染等问题不断加剧，造成这些问题的主要原因是化石燃料的燃烧，如汽车、船舶、航空航天等领域的发动机燃料燃烧。而发动机的热效率往往在40％以下，燃料燃烧的能量很大一部分随着尾气以热能的形式浪费掉。温差发电技术是一种基于塞贝克效应发展起来的热能回收技术，它能将热能直接转化为电能。

温差发电片是热电转化的核心部件，它由pn结引脚、铜电极、陶瓷板三部分组成，其中，pn结引脚间用铜电极相互串联连接，并夹在上下两块陶瓷板之间。然而，温差发电片的转化效率低仍然是制约温差发电技术大规模商用的主要因素。因此，高效率的pn结引脚热电材料和高性能的温差发电片结构是目前热电回收领域发展的两大方向。有不少学者为了提高pn结引脚的输出，提出许多新型结构，如六角状pn结、分段式pn结、金字塔型pn结等，然而，这些结构优化方法往往结构复杂、制备难度大、难以商用。当温差发电片用于回收高温尾气中的热能时，随着尾气的向下流动，其温度会有所下降，造成温差发电片下行方向的pn结引脚输出电流低于上行方向的pn结引脚输出电流，而pn结引脚间全部串联，会使得温差发电片的整体输出电流受制于其中最小的pn结输出电流。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种变引脚横截面积的温差发电片，用来克服温差发电片整体输出电流会受限于最小pn结输出电流的影响，提升温差发电片的整体输出，还提供一种变引脚横截面积温差发电片的引脚横截面积的确定方法，沿尾气流动方向增加pn结引脚的横截面积，提升下行方向的pn结引脚输出电流。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种变引脚横截面积的温差发电片，包括陶瓷板、沿尾气流动方向横截面积不断增加的pn结引脚和铜电极，所述pn结引脚由铜电极相互串联连接后，夹在上、下两端陶瓷板中间；所述pn结引脚沿着尾气流动方向分别为第1列，第2列，…第n列，其中，每一列pn结引脚的宽度w3、高度h3保持不变，第i列pn结引脚的长度为li，其满足关系：li+1-li＝δl、li＝l1+(i-1)δl，即pn结引脚长度按公差为δl的等差数列增加；第i列pn结引脚的横截面积为si，si＝w3×li；所述陶瓷板的高度为h1，陶瓷板的总宽度、总长度均为每一列铜电极的宽度w3、高度h2保持不变，第i列铜电极的长度lci满足：lci＝2li+li；第一列pn结引脚之间的间距为l0，第i列pn结引脚之间的间距为li，且li＝l0-(i-1)×δl，li＞0。

一种变引脚横截面积温差发电片的引脚横截面积的确定方法，确定第i列pn结引脚的热端温度、冷端温度；当i＝1时，l1已知，可计算得到第一列pn结引脚的横截面积s1，由pn结引脚热端温度、冷端温度，计算第1列pn结引脚的输出电流i1；当i＝2时，规定i2＝i1，计算第2列pn结引脚的长度l2，可得pn结引脚长度公差δl，从而计算得到第i列pn结引脚的横截面积si。

进一步，计算第i列pn结引脚的热端温度的具体过程为：

计算热端换热器的内壁面温度t1,i：其中ch为热流体的比热容，为热流体的质量流量，thi为第i列的热流体入口温度、thi+1为第i+1列的热流体入口温度，h1为热流体的对流换热系数，a1为热流体与热端换热器的内壁面接触面积，为第i列的热流体平均温度，且

计算pn结引脚的热端温度t4,i；

热端热流密度q1为：根据热流密度相等，即：

其中，λh为热端换热器材料的热导率，δh热端换热器底板的厚度，t2,i为陶瓷板和热端换热器的接触面温度，λce为陶瓷板的材料热导率，t3,i为铜电极和陶瓷板的接触面温度，h1为陶瓷板的高度，λco为铜电极的材料热导率，h2为铜电极的高度；

则pn结引脚的热端温度

进一步，计算第i列pn结引脚的冷端温度的具体过程为：

计算冷端散热器的内壁面温度t8,i：其中cc为冷流体的比热容，为冷流体的质量流量，tci为第i列的冷流体入口温度、tci+1为第i+1列的冷流体入口温度，h2为冷流体的对流换热系数，a2为冷流体与冷端散热器的内壁面接触面积，为第i列的冷流体平均温度，且

计算pn结引脚的冷端温度t5,i；

冷端热流密度q2为：根据热流密度相等，即：

其中，λc为冷端散热器材料的热导率，δc冷端散热器底板的厚度，t7,i为陶瓷板和冷端散热器的接触面温度，t6,i为冷端铜电极和陶瓷板的接触面温度；

则pn结引脚的冷端温度

更进一步，计算第i列pn结引脚输出电流的具体过程为：

计算第i列的pn结引脚输出电压ui：ui＝m(αp-αn)×(t4,i-t5,i)，式中m为每一列pn结引脚包含的pn结个数，αp为p极的塞贝克系数，αn为n极的塞贝克系数；

计算第i列的pn结引脚内阻ri：式中ρp为p极的电阻率，ρn为n极的电阻率，h3为pn结引脚的高度；

则第i列的pn结输出电流ii：

更进一步，计算计算pn结引脚长度公差δl具体过程为：

当i＝1时，l1已知，即s1＝w3×l1，据此计算第1列pn结引脚的输出电流：

当i＝2时，i2＝i1，求得l2：

则pn结引脚长度公差δl，

本发明的有益效果为：

本发明提供一种变引脚横截面积的温差发电片，将pn结引脚沿着尾气流动方向按等差数列均匀增加其横截面积，提升温差发电片中下行方向的pn结引脚输出电流，并提供其横截面积的确定方法，使得温差发电片的整体输出电流不再受限于其中最小的pn结输出电流，能够大幅提升温差发电片的性能。

附图说明

图1为变引脚横截面积的温差发电片的结构示意图；

图2为变引脚横截面积的温差发电片去掉上端陶瓷板的俯视图；

图3为变引脚横截面积的温差发电片去掉上端陶瓷板和上端铜电极的俯视图；

图4为第i列和第i+1列pn结引脚结构示意图；

图5为引脚横截面积确定方法的计算原理图。

具体实施方式

下面结合具体的变引脚横截面积的温差发电片，来说明本发明的技术方案。

如图1所示，一种变引脚横截面积的温差发电片包括陶瓷板、沿尾气流动方向横截面积不断增加的pn结引脚和铜电极；所述pn结引脚由铜电极相互串联连接，夹在上下两端陶瓷板中间；所述pn结引脚沿着尾气流动方向分别为第1列，第2列，…第n列，本实施例n＝8，其中，每一列pn结引脚的宽度w3、高度h3保持不变，第i列pn结引脚的长度为li，其满足关系：li+1-li＝δl，即pn结引脚长度按公差为δl的等差数列增加；第i列pn结引脚的横截面积为si，即：

si＝w3×li(1)

陶瓷板的高度为h1，陶瓷板的总宽度(等于陶瓷板的总长度w2)为4w1；第一列pn结引脚之间的间距为l0，第i列pn引脚之间的间距为li，其满足关系：li＝l0-(i-1)×δl，且li＞0；每一列铜电极的宽度w3(等于pn结引脚的宽度)、高度h2保持不变，第i列铜电极的长度lci满足关系：

lci＝2li+li(2)

如图5所示，第i列的热流体入口温度为thi、第i+1列的热流体入口温度thi+1(等于第i列的热流体出口温度)，第i列的热流体平均温度为第i列的冷流体入口温度为tci、第i+1列的冷流体入口温度为tci+1(等于第i列的冷流体出口温度)，第i列的冷流体平均温度为热端换热器的内壁面温度为t1,i，陶瓷板和热端换热器的接触面温度为t2,i，热端铜电极和陶瓷板的接触面温度为t3,i，pn结引脚的热端温度为t4,i，pn结引脚的冷端温度为t5,i，冷端铜电极和陶瓷板的接触面温度为t6,i，陶瓷板和冷端散热器的接触面温度为t7,i，冷端散热器的内壁面温度为t8,i。

实施步骤如下：

本发明实现的前提是：(1)忽略热端换热器、冷端换热器与温差发电片间的接触热阻；(2)第i(i＝1,2,……，8)列的热流体入口温度thi、第i列的热流体出口温度thi和第i列冷流体的入口温度tci、第i列冷流体出口温度tci+1已知；(3)热流体的质量流量比热容ch和对流换热系数h1，以及冷流体的质量流量比热容cc和对流换热系数h2均为已知。

步骤1，计算第i列pn结引脚的热端温度；

(1)计算热端换热器的内壁面温度t1,i；

式中，a1为热流体与热端换热器的内壁面接触面积；

(2)根据热量从热流体传递至pn结引脚时热流密度相等，计算pn结引脚的热端温度t4,i；

所述热流密度q1为：

根据热流密度相等，即：

式中，λh为热端换热器材料的热导率，δh热端换热器底板的厚度，λce为陶瓷板的材料热导率，λco为铜电极的材料热导率；

因此，由公式(4)、(5)可计算得到第i列pn结引脚的热端温度t4,i，即：

步骤2，计算第i列pn结引脚的冷端温度：

(1)计算冷端散热器的内壁面温度t8，i；

式中，a2为冷流体与冷端散热器的内壁面接触面积；

(2)根据热量从pn结引脚传递至冷流体时热流密度相等，计算pn结引脚的冷端温度t5,i；

所述热流密度q2为：

根据热流密度相等，即：

式中，λc为冷端散热器材料的热导率，δc为冷端散热器底板的厚度；

因此，由公式(7)、(8)、(9)可计算得到第i列pn结引脚的冷端温度t5,i，即：

步骤3，根据步骤1所得pn结引脚热端温度t4,i、步骤2所得pn结引脚冷端温度t5,i，计算第i列的pn结引脚输出电流；

(1)计算第i列的pn结引脚输出电压ui；

ui＝m(αp-αn)×(t4,i-t5,i)(11)

式中，m为每一列pn结引脚包含的pn结个数，αp为p极的塞贝克系数，αn为n极的塞贝克系数；

(2)计算第i列的pn结引脚内阻ri；

式中，ρp为p极的电阻率，ρn为n极的电阻率，h3为pn结引脚的高度；

(3)计算第i列的pn结输出电流ii：

步骤4，根据步骤3所得的第i列pn结引脚输出电流，计算第1列pn结引脚输出电流i1和第2列pn结引脚输出电流i2，并规定i2＝i1，据此计算pn结引脚长度公差δl；

(1)当i＝1时，l1已知，即s1＝w3×l1已知，据此计算第1列pn结引脚的输出电流；

(2)当i＝2时，i2＝i1，求得l2；

(3)计算得到pn结引脚长度公差δl：

步骤5，根据步骤4所得的pn结引脚长度公差δl，据此计算第i列pn结引脚的长度li和第i列pn结引脚的横截面积si：

li＝l1+(i-1)δl(17)

si＝w3[l1+(i-1)δl](18)

本实例采用较常见的温差发电片尺寸，其陶瓷板尺寸为40mm*40mm(长*宽)，即w1＝10mm，w2＝40mm，pn结引脚共有8列，且每一列有8个pn结热电偶(即4个pn结，第一列和最后一列由于要预留一个正负极接口，其热电偶数目仅为7个)pn结热电偶的塞贝克系数、电阻率等参数如表1所示。

表1pn结引脚塞贝克系数及电阻率

一些尺寸参数，如陶瓷板高度、引脚高度、铜电极片的高度、热端换热器的厚度δh、冷端换热器的厚度δc以及冷流体(高温尾气)、热流体(冷却水)的相关参数如表2所示。

表2温差发电片已知参数以及冷热端相关参数

假设热流体第1列入口温度为771k，即th1＝771，从第i列流动到第i+1列温度下降0.5k，即thi-thi+1＝0.5，冷流体第1列入口温度为365k，即tc1＝365，从第i列流动到第i+1列温度升高0.1k，即tci+1-tci＝0.1。

由上述已知参数计算得到各参数如表3所示。

表3根据参数计算所得数据

故pn结引脚的长度公差δl为0.02mm，第i(i＝1,2，……，8)列pn结引脚的长度为li＝3+0.02(i-1)，第i列pn结引脚的横截面积为si＝3[3+0.02(i-1)]。

经计算，min(li)＝l8＝1.86＞0，本实例所设计的一种变引脚横截面积的温差发电片符合要求。

以上依据本发明的技术方案详细描述了具体实施方式。根据本发明的技术方案在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，上文描述的具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。