【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于热电发电领域，具体涉及一种分段式热电发电模块的几何结构优化方法。
技术介绍
1、热电发电作为一种将热能直接转换为电能的技术，在诸如废热回收、深空探测器长寿命电源、极端环境供能、便携性电子设备供电等领域取得了广泛应用。热电发电可减少能源的浪费，减轻对传统化石能源的依赖，有益于环境保护，此外，热电发电运行过程无温室气体排放，是一种绿色能源技术。但是，受限于热电材料性能和热电模块结构设计，大部分传统的热电发电模块（teg）的发电效率并不高，只有5%到10%左右，如何提高热电发电设备的发电效率成为领域的研究热点。
2、热电发电模块的发电效率在很大程度上取决于热电材料优值系数（zt）的高低，由于不同材料的最优zt值温度区间是不一样的，导致单一的热电材料组成的热电模块极难在较为宽泛的温度范围内获得一个较高的发电效率，因此可以结合具体的温度高低区间，将电偶臂单一材料的组成替换为不同种的热电材料，以便在最大限度上利用不同热电材料在各自适用的温度区间所能够发挥的最大性能，这类材料分段热电发电模块（steg）可以适应各种热源以及温度梯度，在许多应用场景具有很大的应用灵活性。
3、分段式热电发电模块（steg）的发电效率与兼容性因子s有着较大的联系，在电偶臂的某一材料层级中，只有当通过电偶臂的相对电流密度u在数值上等于兼容性因子s时，该层级的热电材料才处于最大效率的工作状态，而兼容性因子s会随着温度变化，这意味着在温度梯度方向，相对电流密度u必须不断变化才能使模块保持一个较高的热电转换效率。
4、目前
技术实现思路
1、针对目前的分段式热电发电模块受限于其结构形状，使得电偶臂的不同分段层级的横截面积处处相同，导致电偶臂局部的相对电流密度u数值大小与兼容性因子s发生严重的偏差，降低了热电材料整体总和的热电转换效率，不能最大限度地利用各个层级热电材料的热电性能的问题，本专利技术的目的是提供一种分段式热电发电模块的几何结构优化方法，能最大程度地发挥热电材料的热电性能，提高分段式热电模块的整体能量转换效率。
2、本专利技术所采用的技术方案是：
3、一种分段式热电发电模块的几何结构优化方法，精密调节电偶臂各个分段层级的横截面积以及纵向长度，使得每个分段层级的相对电流密度u等于兼容性因子s，保证每个分段层级的热电转换效率都接近其最大值，使得整个电偶臂的能量转换效率达到最大。
4、进一步地，具体包括步骤：
5、步骤1：确定低温、中间温度、高温三个温度区间，根据温度区间以及不同种类的热电材料在不同的温度区间具有的热电最佳zt值来选择合适的热电材料，然后确定温度间隔，根据确定的温度区间以及温度间隔得到对应的电偶臂的总分段层数n；
6、步骤2：确定每个分段层级的α(i)、k(i)和ρ(i)；α(i)为电偶臂第i层级的平均seebeck系数，k(i)为电偶臂第i层级的平均导热系数，ρ(i)为电偶臂第i层级的平均电阻率；
7、步骤3：计算电偶臂各个分段层级的材料zt值、兼容性因子s和局部最大热电效率ηlocal；电偶臂各个分段层级的兼容性因子s等于电偶臂各个分段层级的局部热电效率ηlocal达到最大值时的相对电流密度u大小，设相对电流密度u取值为兼容性因子s；
8、步骤4：设定通过电偶臂的电流大小i以及n型电偶臂的热端横截面积an_hot；
9、步骤5：计算n型电偶臂各个分段层级的横截面积alocal、横截面积变化da，整个n型电偶臂长度ln；
10、步骤6：设定p型电偶臂的热端横截面积ap_hot；
11、步骤7：计算p型电偶臂各个分段层级的横截面积alocal、横截面积变化da，整个p型电偶臂长度lp，方法与步骤5相同；
12、步骤8：比对p型电偶臂长度lp与n型电偶臂长度ln是否相等，如果相同，则继续步骤9操作，如果不相等，返回步骤6重新设定p型电偶臂的热端横截面积ap_hot；
13、步骤9：计算p型以及n型电偶臂的热电转换效率ηp与ηn；
14、步骤10：判断ηp与ηn是否均是最大值，如果是，则完成电偶臂的几何结构优化设计，如果不是，则返回步骤4，重新设定n型电偶臂的热端横截面积an_hot。
15、在步骤1中，优选地，待选的热电材料种类包括bi2(tese)3、snse、sige、(bisb)2se3、pbte、fenbsb、mg2si、tags、填充型方钴矿化合物、half-heusler材料、ge基笼合物。
16、优选地，热源温度越高则单个电偶臂所选的热电材料数量越多；热源温度在1000k以下时，选择2种热电材料；热源温度超过1000 k，选择3种以上热电材料。
17、优选地，热源温度范围为300 k到1100 k时，选择bi2(tese)3、snse、sige分别作为n型电偶臂的低、中、高温区材料，选择(bisb)2se3、pbte、fenbsb分别作为p型电偶臂的低、中、高温区材料。
18、在步骤1中，优选地，温度间隔在0-100 k之间选择，温度间隔越小则分段层数越多、分段厚度越小。
19、在步骤3中，电偶臂各个分段层级的材料zt值的计算式为
20、(1)
21、其中，α、k和ρ分别为电偶臂某一层级的平均seebeck系数、平均导热系数和平均电阻率，t为温度；
22、电偶臂各个分段层级的兼容性因子s的计算式为
23、(2)
24、当u=s时，得到电偶臂各个分段层级的局部最大热电效率ηlocal的计算式为
25、(3)
26、在步骤5中，n型电偶臂各个分段层级的横截面积alocal的计算式为
27、(4)
28、n型电偶臂各个分段层级的横截面积变化da的计算式为
29、(5)
30、整个n型电偶臂长度ln的计算式为
31、(6)
32、在步骤9中，p型以及n型电偶臂的热电转换效率ηp与ηn的计算式为
33、(7)
34、本专利技术的有益效果是：
35、1.本方法能最大程度地发挥热电材料的热电性能，提高分段式热电模块的整体能量转换效率。
36、2.本方法不仅能最大程度地发挥热电材料的热电性能，而且能够适应各种热源以及温度梯度，适用不同的温度范围以及应用场景，能够在多种应用场景下提供稳定的电源供应，适用性强。
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1.一种分段式热电发电模块的几何结构优化方法，其特征在于：精密调节电偶臂各个分段层级的横截面积以及纵向长度，使得每个分段层级的相对电流密度u等于兼容性因子s，保证每个分段层级的热电转换效率都接近其最大值，使得整个电偶臂的能量转换效率达到最大。
2.如权利要求1所述的分段式热电发电模块的几何结构优化方法，其特征在于，包括步骤：
3.如权利要求2所述的分段式热电发电模块的几何结构优化方法，其特征在于：在步骤1中，待选的热电材料种类包括Bi2(TeSe)3、SnSe、SiGe、(BiSb)2Se3、PbTe、FeNbSb、Mg2Si、TAGS、填充型方钴矿化合物、Half-Heusler材料、Ge基笼合物。
4.如权利要求3所述的分段式热电发电模块的几何结构优化方法，其特征在于：热源温度越高则单个电偶臂所选的热电材料数量越多；热源温度在1000K以下时，选择2种热电材料；热源温度超过1000 K，选择3种以上热电材料。
5.如权利要求4所述的分段式热电发电模块的几何结构优化方法，其特征在于：热源温度范围为300 K到1100 K时，选择B
6.如权利要求2所述的分段式热电发电模块的几何结构优化方法，其特征在于：在步骤1中，温度间隔在0-100 K之间选择，温度间隔越小则分段层数越多、分段厚度越小。
7.如权利要求2所述的分段式热电发电模块的几何结构优化方法，其特征在于：在步骤3中，电偶臂各个分段层级的材料ZT值的计算式为
8.如权利要求7所述的分段式热电发电模块的几何结构优化方法，其特征在于：在步骤5中，N型电偶臂各个分段层级的横截面积Alocal的计算式为
9.如权利要求8所述的分段式热电发电模块的几何结构优化方法，其特征在于：在步骤9中，P型以及N型电偶臂的热电转换效率ηP与ηN的计算式为
...【技术特征摘要】
1.一种分段式热电发电模块的几何结构优化方法，其特征在于：精密调节电偶臂各个分段层级的横截面积以及纵向长度，使得每个分段层级的相对电流密度u等于兼容性因子s，保证每个分段层级的热电转换效率都接近其最大值，使得整个电偶臂的能量转换效率达到最大。
2.如权利要求1所述的分段式热电发电模块的几何结构优化方法，其特征在于，包括步骤：
3.如权利要求2所述的分段式热电发电模块的几何结构优化方法，其特征在于：在步骤1中，待选的热电材料种类包括bi2(tese)3、snse、sige、(bisb)2se3、pbte、fenbsb、mg2si、tags、填充型方钴矿化合物、half-heusler材料、ge基笼合物。
4.如权利要求3所述的分段式热电发电模块的几何结构优化方法，其特征在于：热源温度越高则单个电偶臂所选的热电材料数量越多；热源温度在1000k以下时，选择2种热电材料；热源温度超过1000 k，选择3种以上热电材料。
5.如权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴永佳，陈召俊，张鹏，明廷臻，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：
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