文摘
相当大的实验和理论结果之间的区别已经观察到在分段热电发电机的研究(STEGs)。因为简单,近似方法STEGs广泛用于设计和优化。本研究重点是就业的具体设计方法和优化STEGs和比较精确和近似的结果。因此,使用新的高效的热电材料,提出了四个STEGs在300 - 1300 k的温度范围内。拟议中的STEGs优化设计达到最大效率。设计和优化发动机的性能特点包括最大转换效率和长度的元素通过精确和近似计算方法。比较表明,近似方法会导致差异的20%计算的一些设计特点尽管效率计算其相应的结果。结果还表明,23.08%的最大理论效率使用新的提议STEGs是可以实现的。所选材料的兼容性的因素提出STEGs也使用精确和近似计算方法。比较表明计算兼容性差因素可以忽略不计,尽管有相当大的差异在降低计算效率(温度独立效率)。
1。介绍
如今,热电冷却器和发电机的使用变得越来越发达。热电应用包括电子冷却、便携式冰箱、空调、高精度温度测量和空间应用。热电方法相比有突出的特性等其他能量转换方法排除移动部件,可靠性高,寿命长1]。此外,还有一些研究的结合使用热电技术与其他能量转换方法(例如,蒸汽轮机和燃气轮机)作为一种有效的方式利用废热的发电厂和其他行业2]。然而,需要高温热源和低效率是一个了不起的热电技术的挑战。今天,第一个挑战是克服由于丰富的余热资源,柴油发动机的高温排气3),等等。然而,很多研究已经完成增加热电应用的效率和仍然需要很多。努力提高热电效率可以分为三类:高效材料的发明和发展,细分和级联。前两个都是在当前的研究中讨论。
高效的材料的发明与发展。热电效率不仅取决于温度,还取决于材料的物理性质,如电气和热导率和塞贝克系数。这些属性对效率的影响可以使用品质因数(FOM或分析)或无量纲品质因数()。FOM越高,转换效率越高。这一类的尝试都倾向于提高热电性能的应用程序的修改物理性质导致FOM的增加,也就是说,珀尔帖效应系数的增加,电导率和热电阻率。许多研究把重点放在了这一类。特别是近年来,随着纳米技术的出现,许多研究人员已经尝试开发FOM(较高的热电材料4- - - - - -7]。成绩斐然,波士顿和麻省理工学院的研究人员可以提到8,9]。
分割。考虑FOM对温度的依赖关系,到目前为止,没有发现材料有一个令人满意的FOM足够大的温度范围内(例如,300 - 1300 K)。不同的材料有一个令人满意的FOM只在有限的温度范围。因此,分段热电设备出现(见图1(一)这显示了一个分段热电发生器)。在分段热电装置,每个材料应该是用于自己的特定的温度范围,它有一个合理的分布。许多研究已经完成在这个类别。陈等人。8)提出了一个STEG操作300至900 K,取得了理论效率为15%。康等。10)提出了一个类型热电腿,声称17%的效率可以通过实验实现。斯奈德和Caillat11)提出了一个STEG,考虑到兼容性的因素。可以忽略不计的假设接触电阻和绝热外表面区域,他们实现了18.1%的效率理论上温度范围25和1000°C。
(一)
(b)
效率计算热电发电机研究的一个最重要的部分,因为它是重要的其他能量转换的方法。由于效率的重要性,一些研究已经进行热电发电机的效率计算方法。谢尔曼et al。12)提出了一个综合的方法计算热电装置的性能。随着分段热电系统,Swanson et al。13)提供了一个近似方法计算性能和分段热电系统的设计。摩尔(14)计算可行STEG使用精确的性能特征和Swanson等的方法和比较结果。摩尔没有设计或优化STEG;他只专注于预先设计发电机的性能计算。El-Genk和军刀15Swanson等改善的方法。他们的模型使用体积计算热电性质而不是平均温度的平均Swanson等的方法。直到现在,由于STEGs的广泛应用,研究人员工作的一个新方法的计算效率STEGs [16,17]。
考虑FOM STEGs设计的唯一因素可以影响热电效率。因此,另一个参数(称为兼容因素)在STEGs设计必须考虑。因素的兼容性还显示分割或级联是否应该用于不同条件下(18]。
最重要的步骤之一,能源系统的(火用)分析是识别浪费热源为了减少(火用)破坏。热电技术利用余热是一种很有前途的方法。因此,热电发电机和特别STEGs(火用)优化的重要性。实验和理论结果相当大的区别(近似方法)一直在观察STEGs的研究15]。尽管主要部分的差异可以从接触电阻和实验结果的不确定性,似乎有必要证实了理论结果的正确性。到目前为止,所有的热电研究人员使用近似STEGs的设计和优化方法,因其简单性。但这可能是一个原因,实验和理论结果之间的区别。有缺乏使用具体方法优化STEGs文学;因此,应用具体方法可以理论和实验结果之间的桥梁15- - - - - -17]。考虑到这一事实,本研究的主要目标可以分类如下:(我)为了设计和优化STEGs,第一步,化学的和物理的修改热电材料进行了综述。因此,效率高的材料在一个温度范围内选择。然后,四个STEGs提出了优化过程。(2)作为本研究的主要目的,提出STEGs优化使用的方法而不是常见的简单的近似方法。然后,设计和性能特征的STEGs通过精确的计算方法。(3)最后,提出的设计和性能特征STEGs也通过常见的近似计算方法。然后,精确和近似方法的结果进行了比较。
2。选择的材料
本文主要研究已经完成最新的热电材料,最好的已申请热电发生器的设计。由于FOM对温度的依赖关系,材料有一个令人满意的FOM在特定温度范围已经被选中了。数据2(一个)和2 (b)显示FOM随温度的变化类型和型腿,分别。两个安排优化为每个类型的腿。接下来,通过考虑不同的组合,提出了四个STEGs进行分析。提到的材料安排,以及温度范围为每一个安排,展示在表1。
(一)
(b)
3所示。优化和性能计算
3.1。确切的方法
single-segmented发生器的性能计算方法引入了谢尔曼et al。12]。热电发电机的效率被定义为以下关系: 在哪里和分别为输出功率和输入热量,(见图1 (b))。假设理想的条件, 在哪里,,负载电阻、电流和输出热量,分别。使用关系(1)和(2)对于给定和,可以计算效率。和由能量平衡在冷热连接如下12]: 在哪里,,截面积,热导率,分别和珀尔帖效应系数。下标的,,,指的是冷端,热结,类型的腿,型腿,分别。方程(3)表示,有必要确定温度梯度以及电流穿过腿来计算和。因此,有必要确定温度分布的腿。single-segmented腿的温度分布计算通过以下方程(31日]:
在上面的方程中,导数的温度对吗。和分别是汤姆逊系数和电流密度。显然,解决这类方程需要知道如何热电性质随温度改变。方程(4)是解决每条腿使用以下变量: 因此,(4)可以写成如下: 在哪里代表相对电流密度。确切的方法,上述方程可以解决使用的变量替换(5),考虑一个初始条件或。解决方案的结果包括测定电流和温度分布,计算两个提到的必要因素和。因此,效率决定。接下来,效率最大化通过重复这个过程有不同的初始条件。
在这项研究中,这个过程必须应用到特定的修改是因为不止一个材料是用于每条腿和珀尔帖热也在每个接口。为了解决这个问题,(4)是为每个部分单独解决,以下应用界面的连续性条件类型和型腿,分别为(14]: 电气和热导率和材料的塞贝克系数获得给定表的引用1。然后,(4)数值求解假设初始条件或。
每个区段的长度计算使用(8)和电流守恒。
这是常见的截面面积腿被假定为常数的横截面腿是优化。因此,获得使用电流密度、电流,保护的假设 。因此,计算截面面积比。
内部阻力计算使用材料属性和关系。最后,并通过(电阻率计算2)。
3.2。Swanson等的方法
在近似方法如Swanson et al。s方法,近似方程,而不是(4),确定效率。事实上,Swanson et al。性能特征的方法包括计算温度的基础上平均属性。在这种方法中,效率是派生的近似关系的温度平均属性。下一步是优化的特征包括截面积的比值和抵抗效率最大化,。所需的电流和温度分布的方法是当前和元素长度在Swanson等的方法。提到的计算参数通过Swanson et al。检测方程的方法是基于解决方案的接口(13),这是不同于整体检测方程的解决方案(4)的具体方法。
3.3。兼容性因子(精确和近似方法)
兼容性的因素是必须考虑的一个重要参数设计中除了FOM STEGs [18]。兼容性的因素表明使用两种材料的安排是否有正面或负面影响降低效率。的兼容性的因素是相对电流密度降低材料或安排的效率最大化。降低效率是材料的固有特性消除了温度范围从总效率的影响。它是定义在以下表格: 在哪里和分别是绝对和卡诺效率。以添加一个新的材料原始材料或安排,需要计算两个元素的兼容性的因素。如果新材料的兼容性因素不同的一个因素两个或更少,减少由此产生的效率安排增加,这意味着这两个元素是兼容的32]。否则,据说他们是不相容的,分割导致效率降低。兼容因素的每个元素是元素的相对电流密度最大值降低效率。为了计算兼容性的因素,(4每个材料)是解决由假设的边界条件,降低效率。接下来,通过改变边界条件,减少效率最大化。的兼容性的因素是相对与最大化相对应的电流密度降低效率。由于兼容性的因素是温度依赖的事实,它是在一个特定的温度计算。同时,兼容性的因素不应与温度变化明显;这种材料被称为self-compatible。计算的近似方法,兼容性的因素是一样的精确计算方法,但效率降低通过以下关系18]: 在一个特定的温度,降低效率和电流密度的曲线绘制使用(10),然后兼容性的因素。
在这项研究中,提出的STEGs优化设计来实现最大效率使用精确和近似方法(精确和Swanson et al .的方法)。的设计和性能特征优化STEGs已经使用这两种方法计算和结果比较。兼容性的因素提出安排也已经通过精确和近似计算方法和结果进行比较。
4所示。结果与讨论
4.1。分析提出了发电机
在本文中,两个安排建议类型和使用最好的热电材料类型的腿。然后,结合,四个STEGs已经提出。表1显示了腿的安排以及他们的温度范围。拟议中的STEGs优化以达到最大的效率。设计和优化的性能特点STEGs包括元素的长度,电流,截面比,和电阻率计算使用的方法。每条腿的整体长度的横截面类型的腿被认为是10毫米和100年,分别。
数据3(一个)和3 (b)显示的效率类型和类型的腿和相对电流密度,分别使用精确的计算方法。在这项研究中,绝对的值和已经被使用。谢尔曼et al。12提到,如果效率0.3 - -0.03的范围的变化,的价值将会改变在0.9 - -3.57的范围(:0.28—-1.12)。从这些数据可以推断出,最优值2.7和2.85的吗类型和3.125和2.95与谢尔曼类型,分别显示了伟大的协议等的数据。的最大效率1-leg和2-leg =分别为22.56%和22.32%,而它等于为21.69%和23.48%1-leg和分别2-leg。
(一)
(b)
四个腿的发电机产生的组合已经在表中2和3。发电机在最大效率的计算设计特点使用这些表所示的方法。最高的效率是23.08%,属于发电机组合而成的1,2,它显示了4.98%的增长相比,斯奈德安排(18.1%11]。的1 -2发电机也被用于操作在300和973 K为了使Fleurial与Caillat的安排15,33]。输出功率、进气加热和出口提到发生器热等于6.67 W, 31.52 W,和24.851 W,分别在相同的温度范围。这些值远低于Fleurial和Caillat的发电机在同一温度范围。然而,当前发电机的效率远高于Fleurial和Caillat(即。(21.28%对比13.29%)。提到的结果主要是由于降低热导率已依据最近的工作领域的新型热电材料特别是纳米技术使用的地方。
由于输出功率的数量是非常重要的在大多数应用程序中,1 -2在最大功率发电机也被设计在最大效率(而不是)。结果如表所示4。
然而,在下一节中解释说,这种设计不能理想设计,因为系统没有所谓load-following [15]。根据表2,这样发电机产生的电力是8.92 W在最大效率和9.33 W最大功率设计。效率从23.08%减少到22.72%,显示增加了4.62%力量,以换取降低1.58%的效率。非凡的,电流经历了17.33%的增长和优化外部阻力减少23.71%。数据4(一)和4 (b)显示生成的电力单位截面积的变化,进气热通量与相对电流密度类型和型腿,分别。实心圆圈和开放的三角形显示最高的效率和最大的力量,分别。发电机的功能在load-following和non-load-following模式已经被完整的线条和虚线,表示。因此,发电机的操作点应选择在完全的部分曲线。根据数据,发电机的设计在load-following最大力量导致损失,同时设计最大效率使发电机在一系列load-following [15]。
(一)
(b)
4.2。发电机使用兼容性评估因素
降低效率的变化对相对电流密度类型和类型的腿在被精确计算方法,提出了用实线数据吗5和6,分别。固体圆圈显示减少的最大效率。相对电流密度的值对应于这些最大点代表每个部分的兼容性的因素。的曲线类型和型腿显示,总的来说,兼容性更好的材料因素类型比类型。然而,曲线不能用于调查整条腿的兼容性。这是由于这样的事实:当新材料添加到一个原始协议,原协议作为一个整体的兼容性和新材料必须进行评估,但每个材料单独的曲线绘制。因此,他们只用于一个通用的评估材料的兼容性。为了阐明主题,降低效率的变化的腿已经被越来越多的元素表所示5。表显示,使用的材料1-leg是兼容的;并添加材料增加了减少由此产生的装配效率。另外,在2-leg材料是兼容的,但前两个材料相容和不相容的边界。的安排1,2,只有前三个材料是兼容的,和第四个材料是不相容的;因此,将它添加到安排导致减少降低整个装置的效率。使用的材料是兼容的,如果腿被用于300和1200 K的温度范围内。然而,由于这一事实腿已经使用在300和1300 K范围内,腿应该使用在相同的温度范围内保持一致性。我们寻找材料有更好的兼容性的因素没有导致任何令人满意的结果在上述温度范围内。因此,这些安排。
(一)
(b)
(一)
(b)
4.3。近似方法的评价
优化发电机也被设计使用Swanson et al。在最大效率的方法。计算性能和设计特点如表所示2和3并与精确的方法。这些表显示,Swanson et al。s方法,设计和性能特征类型和型腿相互依赖,而准确的方法型腿分开和独立设计类型的腿。Swanson et al .的结果的差异相比,确切的是在这些表中括号。表表明Swanson et al。的方法可能会导致一个不同的进气加热到4.1%,7.8%出口,5.8%生成能力,效率为3.3%,20.3%类型的腿截面积9.1%,元素的长度,在当前的7.1%,14.0%在外部阻力。在这些表,两个属于外部阻力和最高的差异类型的腿横截面面积(即。、14%和20.3%,分别地)。Swanson et al。13)指这种差异通过优化效率两个案例:常数、变量和变量,不断。本文前两例进行了调查,在四个发电机,结果如图7(一)- - - - - -7 (d)通过对电流效率的曲线。Swanson et al。的方法,计算电源的数量不等于的热能通过满意度检测功能的方程。这是由于温度的近似和使用材料的平均属性。因此,存在剩余功率表所示2和3。确切的方法完全满足整体检测方程,因此没有剩余功率。
(一)
(b)
(c)
(d)
中使用的材料的兼容性的因素类型和类型的腿也被计算的近似关系(10)与虚线,表示数据5和6,分别。比较的结果与精确的方法表明,关系(10)收益率有点确切结果,没有一个相当大的兼容性差因素而降低效率有明显的差异。
5。结论
四个STEGs最著名的热电材料已经优化了操作在300和1300 K。理论上可以实现的最大效率已经计算假设绝缘外表面面积和接触电阻可以忽略不计。设计和性能特征的发电机已经计算在最大效率使用准确和Swanson等的方法。最大效率的23.08%已经获得了最好的安排,显示4.98%的增长相比,之前最好的结果发表在一个类似的温度范围(298和1273 K)。兼容因素的安排已经通过精确计算,Swanson等的方法。满意的兼容性已经观察到的材料在每一个安排。所有的结果准确、Swanson等的方法进行比较。已经观察到,Swanson et al .的方法可能会导致一个高达20%的差异在某些特征,尽管其在计算效率足够好的结果。提高热电效率开辟了道路产生电力尤其是利用废热源。由于大量的尝试和调查来提高热电性能,特别是基于纳米技术,这直接能量转换法,因此(火用)优化正在等待一个光明的未来。
命名法
变量| : | 横截面面积(m2) |
| : | 电流(A) |
| : | 电流密度−2) |
| : | 导热系数(Wm−1K−1) |
| : | 腿的长度(米) |
| : | 段的长度(米) |
| : | 输出电力(W) |
| : | 热功率(W) |
| : | 电阻(Ω) |
| : | 温度(K) |
| : | 相对电流密度(V−1) |
| : | 工作输出(W) |
| : | 协调起源于热来源(m) |
| : | 品质因数(FOM) (K−1) |
| : | 无量纲的优点。 |
| : | 塞贝克系数(VK−1) |
| : | 效率 |
| : | 卡诺效率 |
| : | 降低了效率 |
| : | 汤姆逊系数(VK−1) |
| : | 珀尔帖效应系数(V) |
| : | 电阻率(Ω·米)。 |
| : | 导数 |
| av: | 平均 |
| : | 冷源 |
| : | 热的来源 |
| : | 输入 |
| int(警官): | 内部 |
| : | 指数部分数量 |
| : | 电力负荷 |
| : | 腿 |
| 选择: | 最优 |
| : | 腿 |
| 球员: | 拒绝或输出。 |
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。