[發明專利]一種溫差熱電偶材料分段動態溫差發電系統時域分析方法

有效

• 申請號: 201710550250.6
• 申請日: 2017-07-07
• 公開（公告）號: CN107122576B
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 劉楷安;李秋菊
• 申請（專利權）人: 華北水利水電大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G16C60/00;G06F111/10;G06F119/08
• 代理公司: 鄭州聯科專利事務所(普通合伙) 41104
• 代理人: 劉建芳

1.一種溫差熱電偶分段動態溫差發電系統時域分析方法，其特征在于：具體包括以下幾個步驟：

步驟一，根據溫差發電系統材料的基本物理特性，熱力學和電學基本定律，導出由d對分b段半導體溫差電偶構成的溫差熱電偶分段的動態溫差發電系統熱路和電路的數學模型：

熱路中各個區域的數學模型為

區域I中，

區域IIu中，

區域III中，

電路各個區域的數學模型為：

區域IIu中，

區域IV中，

其中，溫差發電系統熱路分成三個區域：區域I，區域II和區域III，區域I代表熱端散熱器，區域II代表d對材料分b段的半導體溫差熱電偶，區域III代表冷端散熱器；溫差發電系統中電路分成兩個區域：區域II和區域IV；區域II代表d對材料分b段的半導體溫差熱電偶，區域IV代表負載電阻R_L；其中區域II中b段不同材料分別對應區域II1，II2,…IIu，即區域IIu對應區域II中第u段材料，u＝1，2，……，b；

其中，ρ_I和ρ_III分別為區域I和III物質的密度，C_vI和C_vIII分別為區域I和III物質的定容比熱，k_I和k_III分別為區域I和III物質的熱導率；其中T為溫度，為溫度梯度；E為電場強度；ρ_IIu分別為區域II u中物質的密度，C_vIIu為區域II u中物質的定容比熱，ε_IIu為區域II u中物質的介電常數，J為電路中的電流密度，電流J₀為t＝0時刻通過電路的電流密度，α_IIu，σ_IIu，k_IIu，分別為區域II u中物質的總等效塞貝克系數，總等效電導率，總等效熱導率；其中k_IIu＝d*(k_Pu+k_Nu)；α_Pu，σ_Pu，k_Pu，分別為區域II u中P型半導體材料的塞貝克系數，電導率和熱導率，α_Nu，σ_Nu，k_Nu，分別為區域II u中N型半導體材料的塞貝克系數，電導率和熱導率；σ_IV為負載電阻的電導率；

步驟二，根據實際工況條件確定溫差熱電偶分段的動態溫差發電系統熱路和電路的邊界條件；

熱路中的邊界條件為：

邊界A:根據熱源提供能量的形式，熱端等效為熱流密度為q₀；

邊界B:通過邊界處的熱流密度為連續的，溫度為連續的；

邊界Pu:通過邊界處的熱流密度為連續的，溫度為連續的；

邊界C:通過邊界處的熱流密度為連續的，溫度為連續的；

邊界D：根據冷源端散熱的形式，冷端等效為溫度為T_l0；

電路中的邊界條件為：

邊界M:通過邊界處的電流密度為連續的，電場強度是連續的；

邊界Pu:通過邊界處的電流密度為連續的，電場強度為連續的；

邊界N:通過邊界處的電流密度為連續的，電場強度是連續的；

其中熱路中區域I和熱源的交界為邊界A，區域I和區域II的交界為邊界B，區域IIu和II(u+1)的交界為邊界Pu；區域II和區域III的交界為邊界C，區域III和冷源的交界為邊界D；其中電路中區域II在熱源端和區域IV的交界為邊界M，區域IIu和區域II(u+1)的交界為邊界Pu；區域II在冷源端和區域IV的交界為邊界N；取u＝1，2，……，b-1；

步驟三,對區域I，區域II，區域III，區域IV進行時間離散化處理，確定區域中的時間節點，對區域I，區域II，區域III進行一維空間離散化處理，確定區域的空間節點；

步驟四，確定t＝0時刻每個節點的物理量的迭代初始值；

步驟五，對數學模型進行離散化處理，建立區域內部節點和邊界節點物理量的代數方程；

步驟六，從迭代初始值出發，根據步驟五所建立的節點物理量的代數方程，進行迭代求解，得出溫差熱電偶分段的動態溫差發電系統中各個節點的溫度和電場強度的數值解。