基于简化共轭梯度算法的二级热电材料发电系统优化

摘要

热电材料是一种把热能直接转换为电能的材料，并且可以使热能与电能相互转化，比如热电发电或者热电制冷。由于没有机动部件，同时工作温度范围广，模块化可扩展能力强，使得热电材料发电具有较强的吸引力。目前主要被应用于汽车尾气余热回收，还有一些热力发电中的余热回收。热电材料发电装置目前的效率较低，但是近些年在材料性能方面的突破使得效率具有较大的提升潜力。
　　本文的主要工作是发展一种计算机辅助计算的优化分析方法来优化热电材料发电系统。采用简化共轭梯度法（Simplified Conjugate Gradient Method）作为优化搜索方法并且在MATLAB中编译作为反向解，再利用仿真软件COMSOL作为模型生成器以及正向求解的计算工具。
　　本文使用该优化模型对一个二级热电材料发电系统进行优化，采取多目标与多参数优化流程，并且考虑了固定热边温度与热边热流密度两种不同的热边界条件，以热电材料高度以及p和n横截面积之比，作为优化参数，以系统效率与输出功率作为优化目标。由于采用多目标优化，优化结果一般为效率与功率间的权衡，所以二者需要共同优化。
　　对于多目标优化，Th=700℃下功率与效率分别提高了42.9％与31.4%；在低热流密度（qh<=10 suns）下功率与效率提高接近50%。
　　本文的研究结果对于开发高效的热电系统的优化和工程应用具有一定的指导意义。

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主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 论文的主要研究内容

2 热电发电理论及优化方法研究

2.1 热电发电理论

2.2 待优化的几何结构参数

2.3 优化方法

2.4 控制方程

2.5 边界条件

2.6 优化步骤

2.7 本章小结

3 优化方法有效性验证

3.1 验证方法

3.2 本章小结

4 多级TEG模块结构优化及性能研究

4.1 单目标优化

4.2 多目标优化

4.3 本章小结

5 总结与展望

参考文献

附录：作者攻读硕士学位期间发表的论文

致谢