低温热源多模块分段式温差发电系统热电耦合模拟与优化

摘要

在工业生产和日常生活中，存在着大量余热浪费的现象。特别是200℃以下的低温余热，由于其能级低和资源环境多样的特点，回收利用这些余热的效率较低、代价较高。温差发电技术正是一种能利用温差直接发电的能量转换技术，有着热源适应性广泛、不受温差限制、重量轻、体积小、绿色环保等优势。因此，温差发电技术运用于低温热源回收利用将有很大的潜力。　　目前，相对于中高温热源，温差发电技术在低温热源回收利用的研究相对较少，也尚未得到广泛应用。其原因是温差发电技术在低温热源环境下的效率低、成本高。本文以提高温差发电系统性能和经济性为目标，进行了如下研究工作：　　（1）提出了多模块分段式串/并联温差发电系统；基于热电效应和传热学基本理论，建立了模块内部热电效应与外部热/冷源流动传热的一维多物理场耦合模型，在模型中考虑了P、N型电偶材料的温度分布热电特性（塞贝克系数、电导率、热导率）、以及热/冷源逆流下的温度变化。　　（2）在一定的热/冷源条件下，优化了热电模块面积分别为0.02m×0.02m、0.04m×0.04m，模块数分别为5、10、20、50的温差发电系统，从单、双、多因素方面分析温差发电系统性能，揭示了占有比例、电偶对长度、外部负载及其组合对系统性能的影响。结果表明；占有比例、电偶对长度、外部负载中的任一变量逐渐增加时，输出功率均呈现类似抛物线关系；随着电偶对长度的增加，其最优占有比例及最优外部负载也随之增加，但最大输出功率几乎不变。因此，在机械制造工艺满足的条件下，可制造电偶对长度尽量短、占有比例小、外部负载小的系统，以提高温差发电系统的性价比。并联、串联TEG（Thermoelectric Generation）系统在优化后的输出功率几乎相等，但内阻和最优外部负载小得多。因此，可以根据实际负载外阻的情况选择并联TEG系统或串联TEG系统。　　（3）设计了肋片散热器，建立了温差发电系统的有效散热系数模型，分析了肋片数对多模块分段式串联TEG系统的性能和性价比的影响。研究发现，与无肋片相比，运用肋片散热器的温差发电系统性能和经济性得到有效提高；随着电偶对长度增加，增加肋片数所带来的收益逐渐减小，如，当电偶对长度为0.2mm时，随着肋片数的增加，成本功率比下降率可达50.2%；当电偶对长度为4.2mm时，下降率仅有4.2%。

目录

符号表

1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究的意义

1.4 课题研究内容

1.5 本章小结

2 温差发电理论

2.1 热电效应理论

2.1.1 塞贝克效应

2.1.2 帕尔贴效应

2.1.3 汤姆逊效应

2.1.4 开尔文关系式

2.1.5 傅立叶效应

2.1.6 焦耳效应

2.1.7 材料物性参数

2.2 温差发电系统的评价指标

2.3 基于常物性假设的TEG最大功率优化设计理论

2.4 本章小结

3 多模块分段式TEG系统热电耦合模拟

3.1 引言

3.2 多模块分段式串联温差发电系统

3.2.1 热源流动

3.2.2 冷源流动

3.2.3 性能计算模型

3.3 多模块分段式并联TEG系统

3.4 热电模块一维多物理场热电耦合模型

3.4.1 能量平衡方程

3.4.2 陶瓷基督热阻模型

3.4.3 辅助方程

3.4.4 热电材料物性参数

3.4.5 一维热电耦合模型验证

3.5 本章小结

4 最大功率优化结果分析

4.1.1 单因素分析

4.1.2 双因素分析

4.1.3 多因素分析

4.2 多模块分段式并联TEG系统优化

4.3 本章小结

5 散热器设计与经济性分析

5.1 有效散热系数模型

5.2 不同肋片数TEG系统的经济性分析

5.2.1 不同肋片数TEG系统成本

5.2.2 多因素优化后性能和经济性分析

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2本文工作的创新点

6.3工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢