[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

本發明給出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，首先建立基于溫差熱電偶材料分段的動態溫差發電系統的基本物理特性的熱電偏微分方程模型和邊界條件，其次對系統熱路和電路進行了更具體的分析，并進行時間、空間離散化處理，從能量守恒的角度建立區域內部節點和邊界節點物理量的代數方程，然后從時間初始值出發，進行迭代求解，最終可得到溫差熱電偶材料分段的動態溫差發電系統內部各處溫度和電場強度的數值解。通過動態溫差發電內部溫度和電場強度的數值解的分析，可進一步對溫差發電系統的進行更具體的分析和設計，并且結果更加精確。

技術領域

本發明涉及半導體溫差發電技術領域，尤其涉及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。

背景技術

1821年德國科學家Seebeck發現，在兩種不同的金屬構成的閉合回路中，當兩個接頭存在溫差時，回路將產生電流，這個現象被稱為塞貝克效應。溫差發電就是利用塞貝克效應，通過在熱電材料兩端維持一定的溫差，從而產生一定的電壓和電功率輸出。通過研究發現，半導體材料的熱電優值較大，目前人們在溫差系統中應用的熱電材料都是半導體材料，所以又稱為半導體溫差發電。

隨著人們對能源危機的認識，溫差發電技術可以利用自然界中存在的大量的溫差以及工業余熱，具有良好的綜合社會經濟效益。同時，隨著人們對空間探索興趣，醫用物理學的進展，和大規模無線傳感器的應用，需要開發一類能夠自身供給能量并無需照看的電源系統，顯然，溫差發電對這些應用極為合適。溫差發電作為一種全固態能量轉換方式，具有無介質泄露，無噪聲，性能可靠，維護少等優點的綠色環保能源，在微型能源、低品位能源、廢能源利用方面的應用價值越來越明顯。因而，盡快實現溫差發電技術及其應用的產業化具有重要的現實意義。而溫差發電系統的分析和設計依賴于實際的工作狀況，故針對不同的實際情況進行合理的溫差發電系統模型是對溫差電系統的各種參數進行更具體的分析和設計的基礎。

中國專利文獻CN201410189306.6公開了一種溫差發電系統電動勢計算方法，在該專利中采用的對溫差電系統進行分析計算的數學模型，對實際溫差發電系統進行了如下的近似：

認為溫差電系統中的物理特性參數是恒定值，即為常數；

認為邊界處的熱流或溫度是時不變的，即為常數，

故專利文獻CN201410189306.6中溫差電系統電動勢的計算方法，將不同物質交界處的邊界條件，簡單近似為連接處的流體平衡，只適用于溫差發電系統是處于常物性的，邊界處可簡單近似為平衡態情況下，穩態線性溫差電系統的分析，而對于溫差發電系統處于非平衡態時是不適用的，即不能用于分析動態溫差發電系統的瞬態過程。

而有時候實際的溫差電系統中，許多材料的最大優值溫度范圍通常較窄，很難使材料達到最佳摻雜分布，也難于覆蓋整個應用溫區，為了提高整個溫差電偶在整個工作溫區內的平均優值，采用分段結構以提高器件的發電性能，當溫差較小時，其中的各段可采用同一種材料，進行不同的摻雜而獲得，但對于溫差較大的情形，由于材料最大優值范圍的熔點等限制，其中各段需要采用不同的材料構成。因此，實際的溫差電偶是由幾種材料組成時，在不同的分段區域物質的物理特性參數很顯然是不相同的，不再是恒定值。

發明內容

本發明的目的是提供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，通過本發明中的方法得到動態溫差發電內部溫度和電場強度的數值解，可進一步對熱端熱流時變動態溫差發電系統的進行更具體的分析和設計，并且結果更加精確。

本發明采用的技術方案：

一種溫差熱電偶分段動態溫差發電系統時域分析方法，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