一種溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法，采用更為精確的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值求解的方法計算溫差發(fā)電系統(tǒng)的電動勢,該方法計算過程簡單，并可適用于不同的實際溫差發(fā)電系統(tǒng)，針對不同的實際系統(tǒng)，只需對模型中的對應(yīng)部分進行改變，選用不同的數(shù)學(xué)模型和熱源等效形式，使計算結(jié)果更加準確，符合實際生產(chǎn)應(yīng)用需求。
【專利說明】一種溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體溫差發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】。尤其涉及一種溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]1821年德國科學(xué)家Seebeck發(fā)現(xiàn),在兩種不同的金屬構(gòu)成的閉合回路中，當(dāng)兩個接頭存在溫差時，回路將產(chǎn)生電流，這個現(xiàn)象被稱為塞貝克效應(yīng)。溫差發(fā)電就是利用塞貝克效應(yīng)，通過在熱電材料兩端維持一定的溫差，從而產(chǎn)生一定的電壓和電功率輸出。通過研究發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體材料的熱電優(yōu)值較大，目前人們在溫差系統(tǒng)中應(yīng)用的熱電材料都是半導(dǎo)體材料，所以又稱為半導(dǎo)體溫差發(fā)電。
[0003]長久以來，由于受到轉(zhuǎn)換效率和成本的制約，溫差發(fā)電技術(shù)除了在航天和軍事等尖端【技術(shù)領(lǐng)域】應(yīng)用外，很少用于工業(yè)和民用產(chǎn)業(yè)。但是，隨著人們對能源危機的認識，溫差發(fā)電技術(shù)可以利用自然界中存在的大量的溫差以及工業(yè)余熱，具有良好的綜合社會經(jīng)濟效益。同時，隨著人們對空間探索興趣，醫(yī)用物理學(xué)的進展，和大規(guī)模無線傳感器的應(yīng)用，需要開發(fā)一類能夠自身供給能量并無需照看的電源系統(tǒng)，顯然，溫差發(fā)電對這些應(yīng)用極為合適。溫差發(fā)電作為一種全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式，具有無介質(zhì)泄露，無噪聲，性能可靠，維護少等優(yōu)點的綠色環(huán)保能源，在微型能源、低品位能源、廢能源利用方面的應(yīng)用價值越來越明顯。因而，盡快實現(xiàn)溫差發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化具有重要的現(xiàn)實意義。在溫差發(fā)電系統(tǒng)作為電源系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用過程中，一個很重要的問題就是:如何確定實際溫差發(fā)電系統(tǒng)提供的電動勢Us = ma (T1-T2)的數(shù)值。其中，m為溫差發(fā)電系統(tǒng)中串聯(lián)的半導(dǎo)體片數(shù)，α =αρ-αΝ, αρ, α Ν分別為P型和N型半導(dǎo)體元件的賽貝克系數(shù)，由溫差發(fā)電材料自身的特性決定，T1和T2分別是溫差發(fā)電器件熱端和冷端溫度?？梢?，如何得到溫差發(fā)電器件熱冷端實際溫度差A(yù)T = T1-T2，是確定溫差發(fā)電系統(tǒng)提供的電動勢的關(guān)鍵問題。
[0004]圖1為溫差發(fā)電系統(tǒng)工作的基本原理示意圖，實際溫差發(fā)電系統(tǒng)為得到較高的電動勢，可由多片Ρ、Ν兩種類型的半導(dǎo)體元件串聯(lián)組成，Ρ、Ν兩種類型的半導(dǎo)體經(jīng)電導(dǎo)率較高的導(dǎo)流片及負載電路串聯(lián)而成。根據(jù)熱力學(xué)定律，溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱電材料的特點，和電路定律，可導(dǎo)出由m片半導(dǎo)體元件串聯(lián)構(gòu)成的溫差發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。目前，主要采用的數(shù)學(xué)模型是由式(1-1)~(1-6)組成的方程組I所示:
[0005]Qh = Kh(Th-T1)(1-1)
[0006]Ql = Kl(T2-Tl)(1-2)
[0007]Qh = m* a IT1-0.512?+? (T1-T2) (1-3)
[0008]Ql = m* a IT2+0.512?+? (T1-T2) (1-4)
[0009]Us = m a (T1-T2)(1-5)
[0010]I = Us/(Ri+Rl)(1-6)
[0011] 其中，QH和QL分別為每單位時間發(fā)電器從高溫?zé)嵩次『头沤o低溫?zé)嵩吹哪芰?，Th和IY分別為高、低溫?zé)嵩吹臏囟?，Kh和&分別為熱源與熱端和冷源與冷端的總等效傳熱熱導(dǎo)；當(dāng)半導(dǎo)體通過電流時，會產(chǎn)生焦耳熱流流量Q1 = I2Ri,這里近似認為Kh = I，則焦耳熱流向兩端各傳導(dǎo)一半。其中，RiSm片串聯(lián)半導(dǎo)體元件的總等效電阻，Ri = m(lpPp/Ap+1n P n/An)，P p, lp, Ap和P N，1N，An分別是P型和N型半導(dǎo)體元件的電阻率，長度和面積；另外由于發(fā)電器工作時，半導(dǎo)體元件兩端存在一定的溫差，故有一傳導(dǎo)熱流經(jīng)元件內(nèi)部由高溫端傳遞到低溫端，根據(jù)牛頓傳熱定律有導(dǎo)熱流流量Qk = Ki (T1-T2)，其中KiSm片串聯(lián)半導(dǎo)體元件的熱導(dǎo)，Ki = m(kPAP/lP+kNAN/lN)，kP和kN分別是P型和N型半導(dǎo)體元件的熱導(dǎo)率；US為發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電動勢，I為發(fā)電系統(tǒng)回路中的電流，Rl為負載電阻。
[0012]目前，溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱冷端實際溫度差A(yù)T的確定，主要有以下幾種方法:(1)認為發(fā)電器中半導(dǎo)體與熱源和冷源的熱傳導(dǎo)系數(shù)KH，I—C?，在此條件下，半導(dǎo)體元件與冷源、熱源之間無熱阻，不存在傳熱損失，故有Th = TijTl = T2, ΔΤ = Th-Tlo (2)考慮半導(dǎo)體與熱源和冷源熱阻的影響，當(dāng)溫差發(fā)電系統(tǒng)開路時，根據(jù)熱力學(xué)知識，有AT = (Th-Tl)*(I/ig/a/Ki+wi/ig。上述方法中，主要存在以下幾個問題有待解決，⑴所求溫差λτ是熱源和冷源溫度的函數(shù)，即在對溫差發(fā)電系統(tǒng)分析時，認為系統(tǒng)熱源和冷源的溫度保持恒定。但是，實際溫差發(fā)電系統(tǒng)中，由于所利用的熱源提供能量的特點不盡相同，熱源溫度保持恒定這個假設(shè)在有些情況下是不成立的。因此，需對不同的熱源形式，根據(jù)熱力學(xué)的知識，確定合理的熱端等效模型。(2)和其他的發(fā)電系統(tǒng)不同，由于溫差發(fā)電系統(tǒng)中存在熱電耦合現(xiàn)象，溫差發(fā)電系統(tǒng)加入負載的電動勢與開路時電動勢是不相等的。因此求取ΛΤ時還需要考慮電路負載大小對其的影響。(3)溫差發(fā)電系統(tǒng)的實際工作中能夠提供的電量的多少，是和實際工況有很大關(guān)系的。因此在建立溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱電方程時，數(shù)學(xué)模型中的假設(shè)需要進行改變。因此，針對不同的實際系統(tǒng)，需找到一種普遍適用的計算溫差A(yù)T方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是提供一種溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法，可針對不同的實際系統(tǒng)，適用于不同的實際溫差發(fā)電系統(tǒng)，計算過程簡單，結(jié)果更加精確。
[0014]本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0015]一種溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法，具體包括如下幾個步驟:
[0016]步驟一，根據(jù)熱力學(xué)定律，溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱電材料的特點和電路定律，導(dǎo)出由m片半導(dǎo)體元件串聯(lián)構(gòu)成的溫差發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型是由式(1-1)~(1-6)組成的方程組所示:
[0017]Qh = Kh(Th-T1)(1-1)
[0018]Ql = Kl(T2-Tl)(1-2)
[0019]Qh = m* a IT1-0.512?+? (T1-T2) (1-3)
[0020]Ql = m* a IT2+0.512?+? (T1-T2) (1-4)
[0021]Us = m a (T1-T2)(1-5)
[0022]I = Us/ (Ri+Rl)(1-6)
[0023]其中，Qh和Ql分別為每單位時間發(fā)電器從高溫?zé)嵩次『头沤o低溫?zé)嵩吹哪芰浚琓h和IY分別為高、低溫?zé)嵩吹臏囟?，Kh和&分別為熱源與熱端和冷源與冷端的總等效傳熱熱導(dǎo)；當(dāng)半導(dǎo)體通過電流時，會產(chǎn)生焦耳熱流流量Q1 = I2Ri,這里近似認為Kh = I，則焦耳熱流向兩端各傳導(dǎo)一半。其中，RiSm片串聯(lián)半導(dǎo)體元件的總等效電阻，Ri = m(lpPp/Ap+1n P n/An)，P p, lp, Ap和P N，1N，An分別是P型和N型半導(dǎo)體元件的電阻率，長度和面積；其中Ki為m片串聯(lián)半導(dǎo)體元件的熱導(dǎo)，Ki = m(kPAP/lP+kNAN/lN)，kP和kN分別是P型和N型半導(dǎo)體元件的熱導(dǎo)率；US為發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電動勢，I為發(fā)電系統(tǒng)回路中的電流，Rl為負載電阻；
[0024]步驟二，根據(jù)實際溫差發(fā)電系統(tǒng)工作環(huán)境，首先對方程組的式(1-1)和(1-2)中，熱源與熱端和冷源與冷端的總等效傳熱熱導(dǎo)&和1進行等效；其次對熱端和冷端的熱電平衡方程式(1-3)和(1-4)的修正；
[0025]步驟三，根據(jù)熱源提供能量的不同，確定符合實際情況的熱源等效形式是等效為熱端溫度Th恒定還是熱端熱流量Qh恒定的形式；
[0026]步驟四，選取溫差發(fā)電系統(tǒng)的迭代變量，根據(jù)熱源等效形式，確定數(shù)值計算的初始值，并對溫差發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進行離散化處理，得出相應(yīng)的迭代次序；
[0027]步驟五，確定溫差發(fā)電系統(tǒng)的迭代收斂條件； [0028]步驟六，通過數(shù)值求解的方法得到溫差發(fā)電系統(tǒng)熱冷端的溫差Λ Τ，進一步得到溫差發(fā)電系統(tǒng)提供的電動勢。
[0029]步驟一中所述針對實際溫差發(fā)電系統(tǒng)工作環(huán)境，建立符合實際的溫差發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如果實際系統(tǒng)不能近似認為當(dāng)Kh = I成立時，方程組的式(1-3)和(1-4)中，向熱、冷端傳導(dǎo)的焦耳熱流量需替換為Qjh = W2Ri和Q11 = (1-b) I2Ri，其中b = Kh(K^A)/(2*KH*KL+KH*Ki+Ki*KL)，
[0030]Qh = m* a ITfbI2RfKi (Τ「Τ2)(1-3)
[0031 ] Ql = m* a IT2+(1-b) I2RfKi (Τ「Τ2)(1-4)。
[0032]步驟一中所述針對實際溫差發(fā)電系統(tǒng)工作環(huán)境，建立符合實際的溫差發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如果實際系統(tǒng)需加入系統(tǒng)的接觸電阻影響時，方程組中的式(1-3)和(1-4)需加入熱、冷端的接觸電阻Rh。和R1。，在熱冷端引起的焦耳熱流量需替換為Qlh。= I2Rhc和QT1。=I2R1。，可替換為
[0033]Qh = m* α ΙΤ「0.512?+? (T「T2) -12Rhc(1-3)
[0034]Ql = m* α ΙΤ2+0.512?+? (Τ「Τ2) +I2Rlc(1-4)
[0035]步驟一中所述針對實際溫差發(fā)電系統(tǒng)工作環(huán)境，建立符合實際的溫差發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如果實際系統(tǒng)需考慮溫差發(fā)電系統(tǒng)的冷熱端之間對流換熱時，方程組I中的式(1-3)和(1-4)需加入冷熱端的對流換熱流量Qd = Kd*Aeap/L* (T1-T2)，其中Kd，Aeap和L為分別為冷熱端面的對流系數(shù)和溫差發(fā)電模塊熱冷端間隙處面積和長度，式(1-3)和(1-4)可替換為
[0036]Qh = m氺 a IT1-0.51?+? (T1-T2) _Kd*AGap/L* (T1-T2) (1-3)
[0037]Ql = m* a IT2+0.512?+? (Τ「Τ2) +Kd*AGap/L* (T1-T2) (1-4)
[0038]步驟一中所述針對實際溫差發(fā)電系統(tǒng)工作環(huán)境，建立符合實際的溫差發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如果實際系統(tǒng)需考慮溫差發(fā)電系統(tǒng)的冷熱端之間輻射換熱時，方程組I中的式(1-3)和(1-4)需加入冷熱端的輻射換熱流量Qf = (ε 0Aeap/(2-e D-OV-T24),其中ε和σ分別為溫差發(fā)電半導(dǎo)體的光譜發(fā)射率和玻耳茲曼常數(shù)(黑體輻射常數(shù))，式(1-3)和(1-4)可替換為[0039]Qh = m* α ΙΤ「0.512?+? (Τ「Τ2)-( ε σ Acap/(2_ ε )*(T1^T24) (1-3)
[0040]Ql = m* α ΙΤ2+0.512?+? (Τ「Τ2) + ( ε σ Acap/ (2_ ε ) * (T1^T24) (1-4)
[0041]步驟二中所述符合實際的熱源等效形式是針對熱源提供能量的特點，確定熱源是等效為熱端溫度Th恒定還是熱端熱流量Qh恒定的形式，如果熱源是等效為熱端溫度Th恒定，則需獲取系統(tǒng)的熱端溫度Th和冷端溫度IV，來作為方程組的已知量；如果熱源等效為熱端熱流量Qh恒定，則需獲取系統(tǒng)的熱端熱流量Qh和冷端溫度?Υ，作為方程組的已知量。
[0042]所述的步驟三具體如下:選取溫差發(fā)電系統(tǒng)的迭代變量為冷熱端溫度，以開路時刻溫差發(fā)電系統(tǒng)冷熱端的溫度值作為初始值，系統(tǒng)回路閉合后，考慮系統(tǒng)的熱電耦合影響，對溫差發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進行離散化處理，得出相應(yīng)的迭代次序。
[0043]步驟四中所述的收斂條件根據(jù)冷熱端溫差相鄰兩次迭代值之差小于允許的相對偏差確定:若選擇系統(tǒng)的誤差精度S，可確定系統(tǒng)的收斂條件為|T1(i+1)-T1(i) I ≤ δ&|Τ2α+1)-T2⑴I≤δ。
[0044]所述的步驟五中，根據(jù)收斂條件對迭代得到的冷熱端溫差的計算結(jié)果進行判斷，最終確定熱冷端溫差的數(shù)值解，進一步得到溫差發(fā)電系統(tǒng)的電動勢。
[0045]本發(fā)明提供的溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法，采用更為精確的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值求解的方法計算溫差發(fā)電系統(tǒng)的電動勢。該方法計算過程簡單，并可適用于不同的實際溫差發(fā)電系統(tǒng)，針對不同的實際系統(tǒng)，只需對模型中的對應(yīng)部分進行改變，選用不同的數(shù)學(xué)模型和熱源等效形式， 使計算結(jié)果更加準確，符合實際生產(chǎn)應(yīng)用需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]圖1為溫差發(fā)電器件工作的基本原理示意圖，它是由多片P、N兩種類型的溫差電半導(dǎo)體元件經(jīng)電導(dǎo)率較高的導(dǎo)流片及負載電路串聯(lián)而成。TH，IY分別為高、低溫?zé)嵩吹臏囟?；T1, T2分別為溫差發(fā)電器件高溫端和低溫端的溫度；Qh，Ql分別為每單位時間發(fā)電器從高溫?zé)嵩次『头沤o低溫?zé)嵩吹哪芰浚琁為發(fā)電器回路中的電流，Rl為負載電阻。
[0047]圖2為本發(fā)明所述溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法流程圖。
[0048]本發(fā)明提供了一種溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢的計算方法。本發(fā)明中利用數(shù)值求解的方法計算溫差發(fā)電系統(tǒng)的電動勢，并針對不同的實際溫差發(fā)電系統(tǒng)，應(yīng)用不同的數(shù)學(xué)模型和熱源等效形式。
【具體實施方式】
[0049]如圖2所示，本發(fā)明的溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法包括以下步驟:
[0050]步驟01:針對實際溫差發(fā)電系統(tǒng)工作環(huán)境，建立符合實際的溫差發(fā)電系統(tǒng)的控制方程，在該步驟01中，包括(I)根據(jù)實際系統(tǒng)情況，根據(jù)熱力學(xué)知識，求取熱源與熱端和冷源與冷端的總等效傳熱熱導(dǎo)&和1 ； (2)根據(jù)實際情況，對方程組I的數(shù)學(xué)模型中的熱端和冷端熱平衡方程式(1-3)和(1-4)的修正；包括但不僅僅包括以下幾種情況:(i)如果實際系統(tǒng)需加入系統(tǒng)的接觸電阻影響時，方程組I中的式(1-3)和(1-4)需加入熱冷端接觸電阻Rh。和Rle在熱冷端引起的焦耳熱Qjte = I2Rhc和QT1。= I2R1。，可替換為
[0051 ] Qh = m* α ΙΤ「0.512?+? (T「T2) -12Rhc(1-3)
[0052] Ql = m* α ΙΤ2+0.512?+? (Τ「Τ2) +I2Rlc(1-4)[0053](ii)如果實際系統(tǒng)不能近似認為當(dāng)Kh = Kl成立時，方程組I的式(1-3)和(1-4)中，向熱、冷端傳導(dǎo)的焦耳熱流需替換為Qlh = W2Ri和Q11 = (1-b) I2Ri，其中b =Kh (KL+2*Ki) / (2*KH*KL+KH*Ki+Ki*KL)，
[0054]Qh = m* a ITfbI2RfKi (T「T2) -12Rhc(1-3)
[0055]Ql = m* α IT2+(1-b) I2RfKi (Τ「Τ2) +I2Rlc(1—4)
[0056](iii)如果實際系統(tǒng)需考慮溫差發(fā)電系統(tǒng)的冷熱端之間對流換熱時，方程組I中的式(1-3)和(1-4)需加入冷熱端的對流換熱流Qd = KfAeapA^(T1-T2)，其中Kd，Aeal^P L為分別為冷熱端面的對流系數(shù)和溫差發(fā)電模塊熱冷端間隙處面積和長度，式(1-3)和(1-4)可替換為
[0057]Qh = m氺 a IT1-0.51?+? (T1-T2) _Kd*AGap/L* (T1-T2) (1-3)
[0058]Ql = m* a IT2+0.512?+? (Τ「Τ2) +Kd*AGap/L* (T1-T2) (1-4)
[0059](iv)如果實際系統(tǒng)需考慮溫差發(fā)電系統(tǒng)的冷熱端之間輻射換熱時，方程組I中的式(1-3)和(1-4)需加入冷熱端的福射換熱流Qf = ( ε σ Aeap/(2_ ε ))*(T^-T24)，其中ε和σ分別為溫差發(fā)電半導(dǎo)體的光譜發(fā)射率和玻耳茲曼常數(shù)(黑體輻射常數(shù))，式(1-3)和(1-4)可替換為
[0060]Qh = m* a IT1-0.512?+? (Τ「Τ2)-( ε σ AGap/(2_ ε )*(T1^T24) [0061 ] Ql = m* α ΙΤ2+0.512?+? (Τ「Τ2) + ( ε σ Acap/ (2_ ε ) * (T1^T24)
[0062]步驟02:確定實際溫差發(fā)電系統(tǒng)熱端熱源等效形式；在該步驟02中，實際溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱端熱源等效形式，根據(jù)熱端熱源提供能量的特點，確定是等效為熱端溫度Th恒定還是熱端熱流量Qh恒定的形式。
[0063]步驟03:選取溫差發(fā)電系統(tǒng)的迭代變量，根據(jù)熱源等效形式，確定數(shù)值計算的初始值，并給出相應(yīng)的迭代次序；在該步驟03中，選取溫差發(fā)電系統(tǒng)的迭代變量為冷熱端溫度，以開路時刻溫差發(fā)電系統(tǒng)冷熱端的溫度值作為初始值，設(shè)初始時刻系統(tǒng)開路，則有電路中電流I為0，則令方程組中的方程(1-1)~(1-4)中I = 0，得到初始熱冷端溫度T1(1)和τ2(1);系統(tǒng)回路閉合后，考慮系統(tǒng)的熱電耦合影響，確定離散后的迭代方程:首先根據(jù)τιω和T2(i)和方程組中的方程(1-5)~(1-6)得到Us⑴，Ιω，再將得到的I⑴和方程組中的方程(1-1)~(1-4)，可得到下一時刻的T1 (i+1)和T2(i+1)。
[0064]下面以步驟一中溫差發(fā)電系統(tǒng)選取方程組I為數(shù)學(xué)模型為例，對數(shù)學(xué)模型進行離散化處理；設(shè)初始時刻系統(tǒng)開路，此時電路中電流I為0，根據(jù)熱力學(xué)知識，則有:
[0065]Qh = Kh(Th-T1) = Kl(T2-Tl) = Ki (T1-T2) = QL。
[0066](i)當(dāng)熱端熱源可等效為熱端溫度Th恒定時，可得初始T1(1)和T2(1)，
[0067]T1(1) = Th-(Th-Tl) *(1/ΚΗ)/(1/ΚΗ+1/ν?/\)；
[0068]Τ2(1) = Tl+ (Th-Tl) * (I/KL) / (I/Kh+I/Ki+1/KL)；
[0069]系統(tǒng)回路閉合后，考慮系統(tǒng)的熱電耦合影響，離散后的迭代方程為:
[0070]U5(J) = m a (T1Ij)-T2⑴)(2_1)
[0071 ] I ⑴=Us(J)/ (Rj+Rl)(2~2)
[0072]Qh(i+d — m* α I ⑴T1(i)-0.51 ⑴ Ri+Ki (T^i)-T2(i)) (2-3)
[0073]QL(i+1) = m*a I⑴T2(i)+0.51(0%+^ (T1(i)-T2(i)) (2-4)
[0074]T1(i+1) — TH-QH(i+1)/KH(2-5)[0075]T2(i+1) = TL+QL(i+1)/KL(2—6)
[0076](ii)當(dāng)系統(tǒng)熱源特點可等效為熱端熱流量Qh不變時，則有:
[0077]可得初始T1⑴和 T2⑴，T2⑴=Tl+Qh/Kl ；T1(1) = T2⑴+Q11Ai ；
[0078]系統(tǒng)回路閉合后，考慮系統(tǒng)的熱電耦合影響，離散后的迭代方程為:
[0079]Us(i) = ma (T1(i)-T2(i))(3-1)
[0080]I ⑴=Us(J)/ (Rj+Rl)(3—2)
[0081]QL(i+1) = m*a I⑴T2(i)+0.51⑴%+Κ“Τιω-Τ2ω) (3-3)
[0082]T2(i+1) = TL+QL(i+1)/KL(3—4)
[0083]T1(Jtl) = (Qg+KjTgfjj+0.51 ⑴ Ri )/ (m* ct I ⑴+Ki) (3_5)
[0084]步驟04:確定溫差發(fā)電系統(tǒng)的迭代收斂條件和穩(wěn)定條件；在該步驟04中，收斂條件根據(jù)冷熱端溫差相鄰兩次迭代值之差小于允許的相對 偏差確定，若選擇系統(tǒng)的誤差精度S，可確定系統(tǒng)的收斂條件為 |T1(i+1)-T1(i)| ( δ&|τ2α+1)-τ2ω ( δ。
[0085]步驟05:通過數(shù)值求解的方法得到溫差發(fā)電系統(tǒng)熱冷端的溫差A(yù)T，進一步得到溫差發(fā)電系統(tǒng)提供的電動勢。在該步驟05中，根據(jù)收斂條件，對迭代得到的冷熱端溫差的計算結(jié)果進行判斷，最終確定熱冷端溫差的數(shù)值解。
[0086]步驟06:進一步得到溫差發(fā)電系統(tǒng)的電動勢。
[0087]本發(fā)明可針對不同的實際系統(tǒng)，適用于不同的實際溫差發(fā)電系統(tǒng)，而優(yōu)于傳統(tǒng)的大概估算，而且本發(fā)明的整個計算過程簡單，計算的結(jié)果比傳統(tǒng)的計算方法更加精確。
【權(quán)利要求】
1.一種溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法，其特征在于:具體包括如下幾個步驟: 步驟一，根據(jù)熱力學(xué)定律，溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱電材料的特點和電路定律，導(dǎo)出由M片半導(dǎo)體元件串聯(lián)構(gòu)成的溫差發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型是由式(1-?(1-6)組成的方程組所示:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法，其特征在于:步驟一中所述針對實際溫差發(fā)電系統(tǒng)工作環(huán)境，建立符合實際的溫差發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如果實際系統(tǒng)不能近似認為當(dāng)A = ^成立時，方程組的式(1-3)和(1-4)中，向熱、冷端傳導(dǎo)的焦耳熱流量需替換為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法，其特征在于:步驟一中所述針對實際溫差發(fā)電系統(tǒng)工作環(huán)境，建立符合實際的溫差發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如果實際系統(tǒng)需加入系統(tǒng)的接觸電阻影響時，方程組中的式(1-3)和(1-4)需加入熱、冷端的接觸電阻&和&，在熱冷端引起的焦耳熱流量需替換為Qhc = /2*?和& = ，可替換為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法，其特征在于:步驟一中所述針對實際溫差發(fā)電系統(tǒng)工作環(huán)境，建立符合實際的溫差發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如果實際系統(tǒng)需考慮溫差發(fā)電系統(tǒng)的冷熱端之間對流換熱時，方程組I中的式(1-3)和(1-4)需加入冷熱端的對流換熱流量=P(5-?)，其中, 4^和z為分別為冷熱端面的對流系數(shù)和溫差發(fā)電模塊熱冷端間隙處面積和長度，式(1-3)和(1-4)可替換為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法，其特征在于:步驟一中所述針對實際溫差發(fā)電系統(tǒng)工作環(huán)境，建立符合實際的溫差發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如果實際系統(tǒng)需考慮溫差發(fā)電系統(tǒng)的冷熱端之間輻射換熱時，方程組I中的式(1-3)和(1-4)需加入冷熱端的輻射換熱流量岑)，其中^和^分別為溫差發(fā)電半導(dǎo)體的光譜發(fā)射率和玻耳茲曼常數(shù)(黑體輻射常數(shù))，式(1-3)和(1-4)可替換為
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一權(quán)利要求所述的溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法，其特征在于:步驟二中所述符合實際的熱源等效形式是針對熱源提供能量的特點，確定熱源是等效為熱端溫度-7H恒定還是熱端熱流量&恒定的形式，如果熱源是等效為熱端溫度4恒定，則需獲取系統(tǒng)的熱端溫度4和冷端溫度A ,來作為方程組的已知量；如果熱源等效為熱端熱流量Qn恒定，則需獲取系統(tǒng)的熱端熱流量&和冷端溫度&，作為方程組的已知量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法，其特征在于:所述的步驟三具體如下:選取溫差發(fā)電系統(tǒng)的迭代變量為冷熱端溫度，以開路時刻溫差發(fā)電系統(tǒng)冷熱端的溫度值作為初始值，系統(tǒng)回路閉合后，考慮系統(tǒng)的熱電耦合影響，得到離散后的迭代方程。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法，其特征在于:步驟四中所述的收斂條件根據(jù)冷熱端溫差相鄰兩次迭代值之差小于允許的相對偏差確定:若選擇系統(tǒng)的誤差精度占，可確定系統(tǒng)的收斂條件為。
9.根據(jù)權(quán)利 要求8所述的溫差發(fā)電系統(tǒng)電動勢計算方法，其特征在于:所述的步驟五中，根據(jù)收斂條件對迭代得到的冷熱端溫差的計算結(jié)果進行判斷，最終確定熱冷端溫差的數(shù)值解，進一步得到溫差發(fā)電系統(tǒng)的電動勢。
【文檔編號】H02N11/00GK103973171SQ201410189306
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月6日
【發(fā)明者】李秋菊, 劉楷安, 廖旎煥, 劉清欣 申請人:華北水利水電大學(xué)