温差发电器的热电耦合工作特性研究

温差发电器的热电耦合工作特性研究

1含对标系统的单位内部的含系统集成问题温差源利用热材料的塞贝克效应直接将能量转化为能耗设备。由于温差发电器的发电效率较低,因此限制了其在民用领域的发展。但在航天和军事领域,温差发电器以其具有工作寿命长、结构简单、性能可靠等特点而有着广泛的应用背景。采用放射性同位素热源的温差发电器更是拥有广阔的应用前景,至今为止美国和苏联已在数十个航天器上成功地采用了该型电源,目前在我国的月球探测工程中,也初步确定采用同位素温差发电器以解决探测器在月夜期间的热控及能源供给等问题。温差发电技术是多学科的综合,其研制主要包括热电材料的制取和设计、加热源的封装和设计、发电器整体的热设计、发电器热电综合模拟等方面的研究工作。由于国外有多年的应用,因此对温差发电的研究工作较全面。我国在温差发电领域的研究工作开展较早,随着我国航天技术的发展和深空探测的需求,研制开发空间同位素温差发电器已成为一项重要的研究任务。目前,国内相关的研究报道多集中在温差材料方面,旨在获得优值更高、性能更好的热电材料,而对于温差发电器综合设计方面的研究尚不全面。在少数的有关温差电源性能分析的报道中多采用了理论、实验分析或商业软件计算等途径,而缺乏完整的数值研究步骤。其研究对象多为温度不变的温差电单体对,较少考虑发电器的热电耦合影响。本文建立了温差发电器的热电耦合分析模型,推导了发电器工作过程的控制方程。通过数值计算,对影响温差发电器工作性能的各参数及条件进行了理论分析。2治疗上的热耦合图1为温差发电器的一个温差电单体对,它是由两种性能不同的半导体温差电元件连接成的,两种元件尺寸相同,均为等截面圆柱段。当温差电单体对两端存在温差时,由塞贝克效应可知不同元件的开路端将产生一个电动势,连接负载形成回路,则回路中会有电流产生。因为回路中不同材料内部电流的载流体不同,由珀耳帖效应可知,电流流经材料的交接处会伴随有热量的转换,在高温端吸收热量QH,而在低温端释放热量QL。图2为温差电单体对的计算模型,在其热电耦合计算中只考虑塞贝克效应和珀耳帖效应,忽略汤姆逊效应。计算模型作如下假设:发电器P、N元件的连接端为第二类换热边界条件,自上而下施加热流q,另一端为第三类边界条件,该端的换热系数为h、环境温度为T∞;温差电元件两端的换热面积均为其自身的横截面积,不考虑焊接连接片对换热面积的影响;假设P、N型元件有相同的热物性参数和电阻率,并假定其物性不随温度变化;忽略回路中连接片的电阻;只考虑发电器的稳态工作工况。则温差发电器热电效应计算表达式如表1所示。表中符号代表的物理量分别表示:αP、αN为P、N型温差材料的塞贝克系数;T1、T2为温差电单体对高、低温端的温度;I为回路中电流;A为单个电元件的横截面积;R0、R为电元件内电阻、回路的负载电阻。温差电元件中沿其长度l方向传热过程的控制方程为:式(8)中,λ为材料的导热系数;Φ为内热源,在电元件中它是内阻产生的焦耳热,即Φ=I2R0。3两种材料的塞贝克、导热系数采用控制容积法计算温差电元件中的传热和能量转换,吸收的热量处理为热汇,释放的热量视为热源,温差电元件的离散层数为40。计算参数如下:温差电元件的横截面半径和长度分别为r0=0.006m、l0=0.06m;P、N型温差材料的塞贝克系数分别为αP=69.2×10-6V/K、αN=126.8×10-6V/K;两种材料的电阻率均为ρ=7.98×10-6Ω·m、导热系数均为λ=1.99W/(m·K);发电器冷端环境温度T∞=300K。定义圆柱段温差电元件的无量纲长度l*=l/l0、负载的无量纲电阻R*=R/R0,现分析如下。3.1加热热流对调温和转换效率的影响对由单个温差电单体对组成的发电器,保持回路中的内外电阻相等,使发电器工作在最大输出功率状态附近,分析高温端加热热流对温差发电器工作的影响。其中,低温端换热系数保持h=10.0W/(m2·K)。由计算条件可知,两种温差材料的热物性参数和电阻率均相同,因此温差电单体对的两个温差电元件具有相同的温度分布,图3反映了加热热流对电元件内部温度分布的影响。由图可见,元件中温度呈线形分布,随着加热热流的增加,电元件中的整体温度升高,其两端的温差增大。计算表明,发电器的温差电动势及回路中电流均随加热热流的增加而线性增大。图4反映了加热热流对温差发电器输出功率及热电转换效率的影响,其中实线表示输出功率Pout,虚线表示转换效率η。由式(6)可知,在温差材料的塞贝克常数和回路电阻不变的条件下,温差发电器输出功率随电元件高、低温两端温差的平方成正比。又由于电元件两端温差与加热热流近似线性变化,因此发电器输出功率和热电转换效率可分别描述为加热热流的二次方和一次方的函数表达式。计算显示,随着加热热流的增加,发电器输出功率及转换效率均随之增大,其中输出功率的变化曲线是非线性的,加热热流越大,其变化速率也越快,而转换效率则随加热热流线性变化。3.2不同系数对功率及转换效率的影响令回路中内外电阻相等,并保持高温端加热热流q=3000W/m2不变,分析低温端换热系数的影响。图5为换热系数对发电器温差电元件内部温度的影响分布图。可见,在其他参数不变的条件下,当换热系数较小时,元件内部的温度较高,随着换热系数的增加,电元件的温度明显降低,但随着换热系数的进一步增加,电元件温度变化的速度降低;换热系数增加,温差电元件两端的温差随之增大。图6中实线表示输出功率Pout,虚线表示转换效率η。图中显示,温差发电器的输出功率及转换效率随换热系数的变化规律相同,即随着换热系数的增加两者均相应增大。换热系数越大,发电器输出功率及转换效率的变化速率越小。在h≤15W/(m2·K)范围内,换热系数对输出功率及转换效率的影响较明显。计算表明,供电回路中负载电压及回路中的电流随换热系数的变化规律一致,且其变化曲线同发电器的输出功率或转换效率的曲线有相似的分布特征。3.3工作状态下的热、电作用对单个温差电单体对,在加热热流q=3000W/m2、换热系数h=10.0W/(m2·K)的计算条件下,仅改变回路负载电阻的阻值,分析结果如下。图7的计算结果表明,改变回路负载电阻能够对温差电元件的温度分布产生较明显的影响。负载电阻增加使回路中的电流减小,从而使电流的珀耳帖效应降低、温差电元件内部的有效传热热流增加,因此元件的整体温度上升。工程中还经常遇到回路短路和断路的工况,图中曲线4、5分别表示这两种状态下的温度分布。可见,短路时虽然回路中电流最大,电元件的焦耳热功率最大,但此时电流的珀耳帖效应最强,元件内的有效传热量最低,因此短路能够明显降低电元件的温度分布。断路时计算变为一维传热问题,此时电元件的温度最高。图8为供电回路中负载电压U和电流I的分布图,图中实线、虚线分别表示电压和电流。该图显示,改变回路的负载电阻对回路负载电压和电流的影响规律相反:电流随负载电阻的增加而减小,而负载电压则随负载电阻的增加而增大。其中,电压的增加是因为温差电动势的增大导致的。温差电动势和回路的电流相互影响,使温差发电器达到新的相对稳定工作状态。图9反映了回路的负载电阻对发电器输出功率及其热电转换效率的影响规律,其中R*=1表示回路的内外电阻值相等的状态。经典的热电理论分析表明,当回路内外电阻值相等时,温差发电器具有最大的输出功率,但该结论是在发电器温度场不变的条件下获得的,并没有考虑发电器内部的热电耦合。而在实际的温差发电器中热、电效应相互影响,需综合分析。图9的结果表明,在加热热流不变的条件下,温差发电器的热电转换效率与其输出功率有相似的变化规律,两者最高值出现的位置相同。与经典理论分析结果相比,该位置出现了漂移,本文中大约在R*=1.3附近。这是由于负载电阻变化的过程中,温差电元件内部热电耦合影响的原因。3.4电单体对串联个数的影响N个尺寸和结构完全相同的温差电单体对,各电单体对工作在相同的边界条件下,即高温端加热热流q=3000W/m2、低温端换热系数h=10.0W/(m2·K)。将温差电单体对首尾相连串联成一个发电器,连接负载形成回路,其中负载的电阻值与串联成的发电器的总内阻值相等,考察电单体对串联对数的影响。由于各电单体对的工作环境一致,串联后发电器的总温差电动势与单体对的串联对数成正比,又因为回路的外阻与内阻始终相等,因此串联后回路中的电流与仅有一个温差单体对工作时相同,各单体对中的温度分布也不会发生变化。进而可知,发电器的热电转换效率也同单体对的串联对数无关。温差电单体串联后发电器的输出功率及负载电压均随串联对数的增加而成比例上升。3.5植物叶片酒质内压,发继电器回路内阻值及转换效率将N个相同的电单体对并联成一个发电器。连通回路并使其外阻与发电器总内阻相同,分析温差电单体对并联对数对发电器工作的影响。其中各电单体对有相同的工作条件,同3.4节中一致。图10显示了温差电单体对并联对数对其电元件温度分布的影响。由于各温差电单体对的工作条件相同,在断路状态,N个单体对并联后发电器的温差电动势不变,但其总内阻值为仅有一个单体对时的1/N。又因为回路中内外电阻值相等,因此回路中的电流会增加,电流的珀耳帖效应增强,使温差电元件中有效传热热流减小,电元件的温度降低。由图可见,温差电单体对并联对数对其温度场的影响程度不同,N越大温度场的变化率越小。另一方面,温差电元件温度的降低使其两端的温差减小,发电器温差电动势随之减小。图11表明,随着温差电单体对并联对数的增加,负载电压不断降低(实线所示),而回路中的电流不断升高(虚线所示),两者的变化均随N的增加而减缓。图12为发电器输出功率Pout及转换效率的分布图,其中实线为输出功率,虚线为效率。由图12可见,发电器输出功率及转换效率均随温差电单体对的并联对数的增加而升高,但输出功率的变化曲线接近直线,而转换效率的变化较复杂,即在一定范围内增加温差电单体对的并联对数能够明显提高发电器的转换效率,但随着并联对数的增多,继续增加电单体对对增加发电器转换效率的作用已不明显。4循环回路内各单因素对发继电器热性能的影响对温差发电器的热电耦合工作过程进行了数值模拟,分别分析了发电器的热环境、供电回路负载电阻及温差电单体对的连接方式等参数对发电器工作性能的影响规律,初步得到以下结论:1)提高发电器热端的加热热流使温差电元件的整体温度上升,其两端的温差增加,发电器的输出功率及其转换效率均明显增大,其中输出功率随加热热流的变化曲线呈二次方特征,而转换效率则为线性。2)增大发电器冷端的换热系数,温差电元件的整体温度降低,但其两端的温差增加,回路中的电流增大,发电器输出功率及转换效率均相应上升。但当达到一定程度后继续增加换热系数,此时对温差电元件内的温度分布及发电器的工作性能的影响已不明显。3)供电回路中负载的电阻值对发电器的温度场及其工作特性有复杂的影响:负载电阻增大回路中电流减小、电流的珀耳帖效应降低,温差电元件中有效传热热流的增大导致了其整体温度及其温度梯度的增加,从而提高了发电器的温差电动势;发电器内部的热电耦合效应使其输出功率及转换效率最大值出现的条件发生变化。本文计算中,在负载无量纲电阻值R*=1