本發(fā)明涉及熱電器件熱電耦合計算,具體涉及到一種三段式溫差發(fā)電器件熱電解耦計算方法。
背景技術:
1、溫差發(fā)電器件可以將熱電材料兩端的溫差直接轉化為電能,這一過程不涉及機械運動部件,具有無噪音、低維護、長壽命等優(yōu)點,因此廣泛應用于廢熱回收、空間探測器供電、核反應堆發(fā)電等領域。溫差發(fā)電器件的主體一般由n腿、p腿組成,p腿中的載流子為空穴,而n腿中的載流子為電子。當存在溫度差時,熱流驅(qū)動載流子從熱端移動到冷端,從而在兩種材料之間產(chǎn)生電壓,即為塞貝克效應。目前廣泛使用的多段式溫差發(fā)電器件,在n腿和p腿中將多種熱電材料分段串聯(lián),從而使各段熱電材料工作在最優(yōu)溫度區(qū)間,提高熱電轉換效率。一般而言,n腿和p腿的材料段數(shù)相等才能保證最大熱電轉換效率,三段式溫差發(fā)電器件是目前熱電轉換效率最高的靜態(tài)熱電轉換裝置,具有廣闊的應用前景,針對其設計優(yōu)化和數(shù)值模擬具有極大的實際需求。然而,溫差發(fā)電器件中除塞貝克效應外還存在珀耳帖效應和湯姆遜效應,尤其是珀耳帖效應會導致溫差發(fā)電器件內(nèi)每種材料的交界面處產(chǎn)生或吸收熱量,當熱電材料段數(shù)增加時,熱電方程迭代計算量大幅提升,現(xiàn)有熱電耦合計算方法存在計算資源消耗大、計算速度慢的問題。
技術實現(xiàn)思路
1、為了解決上述現(xiàn)有技術存在的問題,本發(fā)明的目的在于提供一種三段式溫差發(fā)電器件熱電解耦計算方法,針對特定幾何結構和熱電材料的三段式溫差發(fā)電器件以及外部負載,建立熱電轉換效率與溫差發(fā)電器件冷端溫度和溫差的關系,進而解耦溫差發(fā)電器件的熱學方程和電學方程,簡化迭代過程,加快熱電方程求解速度,為三段式溫差發(fā)電器件的設計優(yōu)化提供指導,為采用三段式溫差發(fā)電器件的熱電轉換系統(tǒng)的數(shù)值模擬提供方法支撐。
2、為達到上述目的,本發(fā)明采用如下技術方案:
3、一種三段式溫差發(fā)電器件熱電解耦計算方法,具體包括如下步驟:
4、步驟1:確定三段式溫差發(fā)電器件關鍵參數(shù):確定溫差發(fā)電器件的幾何關鍵參數(shù),包括n腿的長度和寬度,p的長度和寬度,n腿各段材料的高度,p腿各段材料的高度,電極的長度、寬度和高度,n腿、p腿間的橫向間隔長度和縱向間隔長度;確定溫差發(fā)電器件的熱電關鍵參數(shù),包括n腿各段材料和p腿各段材料的熱容、熱導、電導、塞貝克系數(shù)、珀爾帖系數(shù)和湯姆遜系數(shù);確定溫差發(fā)電器件的外部負載;
5、步驟2:建立熱電轉換效率數(shù)據(jù)庫:針對步驟1所述的三段式溫差發(fā)電器件開展熱電耦合建模計算,獲取熱電轉換效率與溫差發(fā)電器件冷端溫度和溫差的關系,構建熱電轉換效率數(shù)據(jù)庫;具體分為以下步驟:
6、步驟2-1:使用solidworks軟件建立溫差發(fā)電器件的三維幾何模型,此三維幾何模型中包含步驟1所述的溫差發(fā)電器件全部幾何關鍵參數(shù),將生成的三維幾何模型保存為step格式文件;
7、步驟2-2:將step格式文件導入comsol軟件,設置網(wǎng)格參數(shù),通過comsol軟件的有限元非結構化網(wǎng)格自動劃分功能對溫差發(fā)電器件的三維幾何模型進行網(wǎng)格劃分,得到溫差發(fā)電器件的網(wǎng)格模型;
8、步驟2-3:將溫差發(fā)電器件的網(wǎng)格模型導入comsol-multiphysics中,并進行材料熱電參數(shù)設置,設置包含步驟1所述的全部溫差發(fā)電器件熱電關鍵參數(shù);
9、步驟2-4:明確溫差發(fā)電器件冷端的最高工作溫度和最低工作溫度,評估計算資源,將溫差發(fā)電器件的冷端溫度tc從最低工作溫度tmin到最高工作溫度tmax劃分為n組,在每個冷端溫度tc下,再將溫差發(fā)電器件的溫差δt從0到tmax-tc劃分為m組,組成n×m組計算工況;
10、步驟2-5:在comsol-multiphysics中將計算工況分別設置為溫差發(fā)電器件雙端的第一類邊界條件,冷端的溫度邊界條件為tc,熱端的溫度邊界條件為tc+δt,設置計算參數(shù)和外部負載,執(zhí)行計算,記錄熱電轉換效率;重復n×m次,獲得熱電轉換效率與溫差發(fā)電器件冷端溫度和溫差關系的離散數(shù)據(jù)點;
11、步驟2-6:通過離散數(shù)據(jù)點,將熱電轉換效率與溫差發(fā)電器件冷端溫度和溫差的關系擬合為二維曲面,建立熱電轉換效率數(shù)據(jù)庫;
12、步驟3:采用熱電轉換效率數(shù)據(jù)庫解耦熱電方程計算:建立溫差發(fā)電器件的熱電耦合方程,如式(1)所示:
13、
14、式(1)中:
15、t——時間/s;
16、η——熱電轉換效率;
17、ρe——溫差發(fā)電材料的密度/(kg·m-3);
18、ce——溫差發(fā)電材料的比熱/(j·kg-1·k-1);
19、qh——溫差發(fā)電器件的熱端熱流密度/w·m-2;
20、qc——溫差發(fā)電器件的冷端熱流密度/w·m-2;
21、ae——溫差發(fā)電器件的橫截面積/m2;
22、ah——溫差發(fā)電器件熱端垂直于熱流方向的橫截面積/m2;
23、ac——溫差發(fā)電器件冷端垂直于熱流方向的橫截面積/m2;
24、te——溫差發(fā)電器件的溫度/k;
25、th——溫差發(fā)電器件的熱端溫度/k;
26、tc——溫差發(fā)電器件的冷端溫度/k;
27、熱電轉換效率η的求解需要綜合考慮塞貝克效應、珀爾帖效應和湯姆遜效應,基于步驟2構建的熱電轉換效率數(shù)據(jù)庫,在迭代中通過溫差發(fā)電器件的冷端溫度和溫差直接求解熱電轉換效率η,即可通過熱電轉換效率η求出下一次迭代的溫度初值,避免熱學方程與電學方程的耦合求解,進而解耦熱電方程的計算過程;
28、步驟4:開始時間步進求解:基于步驟3構建的熱電方程解耦計算,設定溫差發(fā)電器件的邊界條件和初始參數(shù),設定計算的時間步長、起始時刻和終止時刻,開始時間步進求解,直到達到終止時刻;
29、步驟5:計算結束,輸出結果:輸出溫差發(fā)電器件的熱電特性和伏安特性隨時間的變化,實現(xiàn)三段式溫差發(fā)電器件熱電的快速求解。
30、本發(fā)明具有以下優(yōu)點和效果:
31、1.在步驟2-步驟3中,建立熱電轉換效率數(shù)據(jù)庫并解耦了三段式溫差發(fā)電器件中復雜的熱電耦合過程,避免了熱電耦合計算導致的大量時間與計算資源消耗;
32、2.在步驟2-5中,采用雙端第一類邊界條件表征三段式溫差發(fā)電器件中熱電轉換效率與冷端溫度和溫差的關系,具有實施簡單、計算速度快、表征能力強的優(yōu)點,簡化了熱電轉換效率數(shù)據(jù)庫的建立過程;
33、3.本發(fā)明方法通用性強,可以適用于不同幾何結構的三段式溫差發(fā)電器件快速計算,且適用于兩段式溫差發(fā)電器件和單段式溫差發(fā)電器件的快速計算。
34、已經(jīng)通過實驗證明,本發(fā)明方法能夠準確獲得三段式溫差發(fā)電器件的熱電特性和伏安特性,具有建模簡單、計算速度快的特點,本發(fā)明提出的三段式溫差發(fā)電器件熱電方程解耦計算方法可應用于其他幾何結構的三段式溫差發(fā)電器件快速計算中,且適用于兩段式溫差發(fā)電器件和單段式溫差發(fā)電器件的快速計算,有助于用戶根據(jù)自身需求進行選取。
1.一種三段式溫差發(fā)電器件熱電解耦計算方法,其特征在于:針對特定幾何結構和熱電材料的三段式溫差發(fā)電器件以及外部負載,建立熱電轉換效率與溫差發(fā)電器件冷端溫度和溫差的關系,進而解耦溫差發(fā)電器件的熱學方程和電學方程,簡化迭代過程,加快熱電方程求解速度;
2.根據(jù)權利要求1所述的一種三段式溫差發(fā)電器件熱電解耦計算方法,其特征在于:步驟1中三段式溫差發(fā)電器件的幾何關鍵參數(shù)包括包括n腿的長度和寬度,p的長度和寬度,n腿各段材料的高度,p腿各段材料的高度,電極的長度、寬度和高度,n腿、p腿間的橫向間隔長度和縱向間隔長度;三段式溫差發(fā)電器件的熱電關鍵參數(shù)包括n腿各段材料和p腿各段材料的熱容、熱導、電導、塞貝克系數(shù)、珀爾帖系數(shù)和湯姆遜系數(shù)。