一种考虑经济性的环形热电发电机的优化设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种考虑经济性的环形热电发电机的优化设计方法及系统，该方法包括：步骤1：测试热电发电机内热电半导体性能，并对环形热电半导体热电偶编号，建立汽车尾气热电发电装置传热数学模型，建立热电发电机净功率计算式和净转化效率计算式；步骤2：建立热电发电机总成本指标计算式，并构建环形热电发电机经济性评价体系；步骤3：根据热电发电机内传热特性，建立汽车尾气热电发电装置机理模型；步骤4：根据机理模型，采用非劣排序遗传算法，划定变量区间，计算热电发电机的转换效率、净功率以及初设成本优化后的帕累托最优解集，采用优劣解距离法得到优化热电偶总体积；步骤5：根据优化热电偶总体积，构建汽车尾气热电发电装置。置。置。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑经济性的环形热电发电机的优化设计方法及系统


[0001]本专利技术涉及档案管理
，具体涉及一种考虑经济性的环形热电发电机的优化设计方法及系统。

技术介绍

[0002]随着科学技术的发展，环境污染日益严重，化石能源短缺，可再生能源和环保能源转换技术研究成为热门的研究方向，由于热电发电机（TEG）具有高可靠性和长寿命特性而备受青睐。然而，由于其转换效率低，目前主要商用于航天和航天设备。以发动机为动力核心的汽车尾气中蕴含了大量未被回收的热能，热电发电机作为余热回收的一种重要媒介，同样存在广阔的应用场景。
[0003]目前对于热电发电装置的研究主要设计热电发电装置本体的结构设计方面，具体来说，热电发电机装置本体的结构改善的主要体现为：专利号为CN201610632594.7的专利技术专利（公开号：CN107689709A，公开日：2018
‑
02
‑
13）公开了一种通过改善适用于锅炉的热电发电机中的流道通路结构，实现了高效温差发电；专利号为CN201210591363.8（公开号：CN103780156A，公开日：2014
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05
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07）的专利技术专利公开了一种通过合理设计冷却剂管道，增加了汽车尾气和冷却剂之间的温差，提升发电效率；专利号为CN201080063033.0（公开号：CN102725491A，公开日：2012
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10
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10）的技术专利公开了一种设计了一种具有集成的预张紧的支撑结构的热电发电机。
[0004]除了对热电发电机宏观结构上的改进外，在材料领域的研究也较为广泛，例如：专利号为CN201680062102.3（公开号：CN108352398A，公开日：2018
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07
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31）的技术专利公开了一种具有基座硅晶片和覆盖硅晶片的紧凑尺寸的热电发电机；专利号为CN201810208223.5（公开号：CN108598207A，公开日：2018
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09
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28）的专利技术专利公开了一种基于纳米薄膜热电偶和超晶格光电结构的微型发电机。
[0005]现有宏观结构上的改进和微观层面的结构设计的确能提升恒温或恒流条件下的热电模块的性能输出，内燃机车尾气管中废气的质量流量以及温度会随着汽车的行驶工况发生变化，对于同样规格的热电模块而言，各个工况下的尾气特性又对应了集成不同数量热电模块的热电发电机。
[0006]针对变化的废气热能回收利用场景，在考虑经济性的条件下如何合理的设计热电发电机，目前研究鲜有涉及，存在重大挑战。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的就是要提供一种考虑热电系统经济性的优化设计方法及系统，充分考虑了热电发电机的初始成本、能量转化率以及增设热电发电机产生的净功率等三项指标，基于热电发电装置的数学模型，采用多目标优化的方法，实现波动范围内的环形热电发电机的最优尺寸配置。
[0008]为实现上述目的，本专利技术所设计的一种考虑经济性的环形热电发电机的优化设计
方法，该方法包括以下步骤：步骤1：测试环形热电发电机内热电偶的性能，并对热电偶编号，建立汽车尾气热电发电装置的传热数学模型，建立热电发电机的净功率计算式和净转化效率计算式；步骤2：建立热电发电机的总成本指标计算式，并构建环形热电发电机的经济性评价体系；步骤3：根据热电发电机内传热特性，建立汽车尾气热电发电装置的机理模型；步骤4：根据机理模型，采用非劣排序遗传算法，划定变量区间，计算热电发电机的转换效率、净功率以及初设成本优化后的帕累托最优解集，采用优劣解距离法得到优化的热电偶总体积；步骤5：根据优化的热电偶总体积，构建汽车尾气热电发电装置。
[0009]进一步地，所述步骤1中还包括以下步骤：步骤1.1：确定热电偶的物理特性；步骤1.2：将每个热电偶作为一个计算单元，分析热电发电机的内传热特性，根据传热规律建立热电发电机的净功率计算式；步骤1.3：建立热电发电机的净转化效率计算式。
[0010]进一步地，所述步骤1.2中，净功率计算式的建立方法为：令环形热电发电机轴向为x方向，径向为r方向，热电发电机x方向上设有n
x
个热电偶，热电发电机r方向上设有n
r
个热电偶，一个P型半导体和一个N型半导体组成一个热电偶，每个热电偶为一个计算单元，用上标(i,j)表示第i环，第j行个计算单元；由于安装在同一环内的热电偶串联连接，可以认为同一环内的热电偶具有相同的温度分布、热力学性能和功率输出，因此可以用上标i表示包含n
r
个环形热电偶，在后面的计算中，以每一环为新的计算单元进行数值计算。
[0011]根据珀尔贴效应和傅里叶效应以及焦耳热效应，热电模块热端热流Q
h
和热电模块冷热冷流Q
c
的表达式分别为：（1）（2）式中：α
pn
为一个热电偶的塞贝克系数，K
pn
为一个热电偶的热导，R
pn
为一个热电偶的电阻；T
hj
为热电器件的热端温度和T
ci
为热电器件的冷端温度，I为回路电流，S
h
为一个计算单元与热流体的传热面积，S
c
为一个计算单元与冷流体的传热面积，h
f
为热电模块热端的
总对流传热系数，h
a
为热电模块冷端的总对流传热系数，c
pf
为热流体的比热容，c
pa
为冷流体的比热容，m
f
为热流体的质量流量，m
a
为冷流体的质量流量，n
r
为热电模块径向上的行数；一个热电偶的热导K
pn
的表达式为：（3）式中：λ
p
为构成热电模块P型材料的热导率，λ
n
为构成热电模块N型材料的热导率，δ为P或N型半导体内弧对应的角度，R表示环形热电发电机的内径，H表示热电模块支腿的径向长度；一个热电偶的电阻R
pn
的表达式为：（4）式中：ρ
p
为P型材料的电阻率，ρ
n
为N型材料的电阻率，W为热电模块支腿的厚度；每个计算单元上冷端流体温度的算数平均值T
favi
、热端流体温度的算数平均值T
aavi
的表达式为：（5）式中：T
fj
为热流体流入第i环时的的温度，T
fi+1
为热流体流出第i环时的温度，T
ai
为冷流体流入第i环时的温度，T
ai+1
为冷流体流出第i环时的温度；环形热电发电机总体的电流I的计算式为：（6）式中：R
L
为外接电阻，R
pn
为一个热电偶的电阻；热电发电机的发电功率P
ATEG
的计算式为：（7）式中：Q
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑经济性的环形热电发电机的优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：测试环形热电发电机内热电偶的性能，并对热电偶编号，建立汽车尾气热电发电装置的传热数学模型，建立热电发电机的净功率计算式和净转化效率计算式；步骤2：建立热电发电机的总成本指标计算式，并构建环形热电发电机的经济性评价体系；步骤3：根据热电发电机内传热特性，建立汽车尾气热电发电装置的机理模型；步骤4：根据机理模型，采用非劣排序遗传算法，划定变量区间，计算热电发电机的转换效率、净功率以及初设成本优化后的帕累托最优解集，采用优劣解距离法得到优化的热电偶总体积；步骤5：根据优化的热电偶总体积，构建汽车尾气热电发电装置。2.根据权利要求1所述的一种考虑经济性的环形热电发电机的优化设计方法，其特征在于：所述步骤1中还包括以下步骤：步骤1.1：确定热电偶的物理特性；步骤1.2：将每一个热电偶作为一个计算单元，分析热电发电机的内传热特性，根据传热规律建立热电发电机的净功率计算式；步骤1.3：建立热电发电机的净转化效率计算式。3.根据权利要求2所述的一种考虑经济性的环形热电发电机的优化设计方法，其特征在于：所述步骤1.2中，净功率计算式的建立方法为：令环形热电发电机轴向为x方向，径向为r方向，热电发电机x方向上设有n
x
个热电偶，热电发电机r方向上设有n
r
个热电偶，一个P型半导体和一个N型半导体组成一个热电偶，每个热电偶为一个计算单元，用上标(i,j)表示第i环，第j行个计算单元；根据珀尔贴效应和傅里叶效应以及焦耳热效应，热电模块热端热流Q
h
和热电模块冷热冷流Q
c
的表达式分别为：（1）（2）式中：α
pn
为一个热电偶的塞贝克系数，K
pn
为一个热电偶的热导，R
pn
为一个热电偶的电阻；T
hj
为热电器件的热端温度和T
ci
为热电器件的冷端温度，I为回路电流，S
h
为一个计算单
元与热流体的传热面积，S
c
为一个计算单元与冷流体的传热面积，h
f
为热电模块热端的总对流传热系数，h
a
为热电模块冷端的总对流传热系数，c
pf
为热流体的比热容，c
pa
为冷流体的比热容，m
f
为热流体的质量流量，m
a
为冷流体的质量流量，n
r
为热电模块径向上的行数；一个热电偶的热导K
pn
的表达式为：（3）式中：λ
p
为构成热电模块P型热电材料的热导率，λ
n
为构成热电模块N型热电材料的热导率，δ为P或N型半导体内弧对应的角度，R表示环形热电发电机的内径，H表示热电模块支腿的径向长度；一个热电偶的电阻R
pn
的表达式为：（4）式中：ρ
p
为P型材料的电阻率，ρ
n
为N型材料的电阻率，W为热电模块支腿的厚度；每个计算单元上冷端流体温度的算数平均值T
favi
、热端流体温度的算数平均值T
aavi
的表达式为：（5）式中：T
fj
为热流体流入第i环时的的温度，T
fi+1
为热流体流出第i环时的温度，T
ai
为冷流体流入第i环时的温度，T
ai+1
为冷流体流出第i环时的温度；环形热电发电机总体的电流I的计算式为：（6）式中：R
L
为外接电阻，R
pn
为一个热电偶的电阻；热电发电机的发电功率P
ATEG
的计算式为：（7）式中：Q
hi
为第i个计算单元的热端热流，Q
ci
为第i个计算单元的冷端冷流；环形热电发电机系统的净功率P
net
的计算式为：
（8）式中：P
ATEG
为热电发电机的发电功率，P
pump
为因增设环形热电发电机导致额外消耗的功率。4.根据权利要求2所述的一种考虑经济性的环形热电发电机的优化设计方法，其特征在于：所述步骤1.3中，净转化效率计算式的建立方法为：因增设环形热电发电机导致额外消耗的功率P
pump
的计算式为：（9）式中：f
z
为废气排气压降，ρ
f
为废气密度，m
f
为废气质量流量；废气压降f
z
的计算式为：（10）式中：L表示热电发电机x方向上的长度，D
h
表示水力直径，在该热电发电机的尾气通道中，定义为环形通道的直径，F为排气通道内的阻力，ρ
f
为废气的密度，v
f
为废气通过环形热电发电机的平均流速；排气通道内的阻力F的计算式为：式中：H
r
表示排气通道内的粗糙程度，Re是通道内气体的雷诺数；环形热电发电机的净转化效率η的计算式为：（11）。5.根据权利要求1所述的一种考虑经济性的环形热电发电机的优化设计方法，其特征在于：所述步骤2中总成本指标计算式中包含热电材料、安装、制造及加工成本，总成本指标计算式的建立方法为：环形热电发电机的总体成本G
tot
的计算式为：
G
tot
=G
m
+G
c
+G
ma
+G
mb
+G
hex
+G
b
+G
i
（12）式中：G
m
为热电原材料成本、G
c
环形热电模块其他材料成本、G
ma
为加工散装材料相关的制造成本、G
mb
为区域制造成本、G
hex
为热交换器成本、G
b
为系统平衡成本、G
i
为安装成本：热电原材料成本G
m
的计算式为：G
m
=G
m*
·
ρ
·
V
x
（13）式中：G
m*
为商用热电材料的价格，单位为元/千克；ρ为采用该种型号热电材料的密度，V
x
为热电材料的体积，环形热电发电机中，随热电偶数量n
x
、n
r
改变的热电偶总体积V
x
计算式为：（14）式中：W为热电模块支腿的厚度；δ为P或N型半导体对应的角度，R表示环形热电发电机的内径，H表示热电模块支腿的长度；L为热电发电机x方向上的长度；环形热电模块其他材料成本G
c
的计算式为：G
c
=G
c*
·
(S
h
+S
c
)
·
n
x
·
n
r
（15）式中：G
c*
为环形热电模块其他材料（包括陶瓷基板、铜片和电线等）的单位面积成本，S
h
和S
c
分别代表一个热电偶热侧和冷侧的换热面积；加工散装材料相关的制造成本G
ma
的计算式为：G
ma
=G
ma*
·
ρ
·
V
x
（16）式中：G
ma*
为热电材料单位质量的散装材料采用放电等离子烧结技术，加工成为环形热电模块的成本；区域制造成本G
mb
的计算式为：G
mb
=G
mb*
·
n
x
·
n
r
·
(S
h
+S
c
)/2（17）=(G
D*
+G
M*
+G
MLM*
+G
SP*
)
·
n
x
·
n
r
·
(S
h
+S
c
)/2式中：G
mb*
为单位面积采用切割、金属化、中等水平微细加工和丝印制造工艺的制造成本，G
D*
代表切割成本，G
M*
代表金属化成本，G
MLM*
代表中等水平微细加工成本，G
SP*
代表丝印成本；系统平衡成本G
b
和安装成本G
i
满足公式：G<...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢长君，朱文超，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：