[发明专利]一种二级温差发电器结构的优化方法

说明书

本发明涉及一种二级温差发电器结构的优化方法，其考虑了温度对热电材料性能的影响，对二级温差发电器内部热电臂的横截面积和不同热电材料高度的计算方法进行了优化。具体地，本发明利用傅里叶定律和微积分的计算原理，以最大输出为优化结果，对TTEG上下两层PN型热电臂的横截面积和高度计算方法进行了优化，优化过程中充分考虑了温度对热电材料的影响，提高了TTEG结构设计的精度，且本发明的计算方法更加的简单方便。

技术领域

本发明涉及温差发电器结构优化技术领域，具体涉及一种二级温差发电器结构的优化方法。

背景技术

当下在化石能源的使用过程中，大量的能量都是以废热的形式浪费到了空气中去。面对世界上愈发严重的能源压力，如何将这些废热重新进行利用是目前的研究热点。温差发电技术是一种基于塞贝克效应的固体发电技术，可以直接将热能转化为电能。温差发电器(Thermoelectric Generator,TEG)由于具有体积小，结构简单，寿命长，无污染等优点，从而受到了人们的关注。虽然温差发电器具有以上诸多优点，但其输出效率较低等问题导致其并没有有被广泛应用。

二级温差发电器(Two-stage Thermoelectric Generator,TTEG)是利用将不同热电材料置于合适的温区内的方法来提高温差发电器的性能。相较于分段温差发电器还需要考虑在P型(或N型)分段热电臂的制作过程中不同热电材料之间的影响，二级温差发电器的P型(或N型)热电臂在制作过程中则仅需考虑一种热电材料即可，其制作方法与传统的温差发电器类似，故生产成本要低于分段温差发电器。因而通过对二级温差发电器的结构优化，可以显著提升发电功率，扬长避短，既具备分段温差发电器的优势，又降低生产成本。

传统TEG中P型和N型热电臂的形状为长方体，因此需要进行优化的结构参数便是热电臂的高度和横截面积的大小。在传统温差发电器结构优化的研究过程中，其输出功率的计算公式如下文所示：

依据塞贝克效应可计算出发电器两端的电压(E)为：

E＝α_PN(T_h-T_c)＝α_PN·ΔT (1)

式中：

E——为PN型热电臂两端产生的电压值；

α_PN——为PN型热电臂的等效塞贝克效应；

T_h，T_c——分别为高温端和低温端的温度；

当外接一个电阻值为R_L的电阻时，该电路中所对应的电流(I)为：

式中：

I——为PN型热电臂外接电阻后产出的电压值

R_i——为PN型热电臂的内阻值；

R_L——为外接电阻的电阻值。

由此可以计算出外接电阻的输出功率为：

式中：

P_L——为输出功率

对于公式进行分析可知，当R_i＝R_L时，此时所对应的P_L达到了最大值，联立公式可推导出外接电阻的最大输出功率P_Lmax为:

可见，在传统的研究过程中，多数没有考虑温度对热电材料性能的影响，从而使得最终的计算结果与实际结果往往有所偏差。

发明内容