[发明专利]具有针形翅片结构的环状热电发电机的性能优化方法及装置

说明书

本发明公开了一种具有针形翅片结构的环状热电发电机的性能优化方法及装置。该方法包括：明确影响环状热电发电机输出性能的变量因素，获得变量因素对应的正交阵列实验组合；建立具有针形翅片结构的环状热电发电机装置三维数值模型，对正交阵列实验组合进行流体场‑热场‑电场仿真耦合，求解流体场、热场、以及电场的控制方程，获得每个变量因素对应的净功率和转换效率；分别模拟出每个变量因素对应的净功率信噪比、或转换效率信噪比，计算出同一变量因素同一初始数据对应的平均净功率信噪比、或平均转换效率信噪比。本发明能够贴合圆柱型热源，强化流体传热，通过信噪比分析，确定影响环状热电发电机输出性能的最优参数组合。

技术领域

本发明涉及废热回收技术领域，具体地指一种具有针形翅片结构的环状热电发电机的性能优化方法及装置。

背景技术

由于化石能源的过度使用，二氧化碳排放和能源短缺已成为全球性问题。研究人员一直致力于探索和开发可替代的绿色能源技术，以减少排放和化石燃料的使用。热电发电机作为替代能源技术之一，可以直接回收废热并将其转化为电能，具有直接转换、无噪声、无振动、寿命长等优点。

中国专利CN110024145A提供了一种带两块基板的热电发电机，在两块平板型基板间布置有数个热电元件连接基板上的电级，但平板型热电发电机的结构存在如下缺陷：对于汽车尾气管道等圆柱型热源，平板无法贴合管道，降低了能源的利用。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提出一种具有针形翅片结构的环状热电发电机的性能优化方法及装置，该装置能够贴合圆柱型热源，通过在环状换热器内部设置交叉布置的针形翅片结构，强化流体传热，该优化方法对建立的环状热电发电机装置三维数值模型进行流体场-热场-电场仿真耦合，通过信噪比分析，得到各变量因素影响热电发电机输出性能的灵敏程度，确定影响环状热电发电机输出性能的最优参数组合。

为达到上述目的，本发明所设计的一种具有针形翅片结构的环状热电发电机的性能优化方法，用于衡量和优化针形翅片结构对环状热电发电机输出性能的影响，其特别之处在于，包括：

步骤一，明确影响环状热电发电机输出性能的X个变量因素，所述变量因素包括热空气特性和针形翅片结构，确定每个变量因素对应的Y个初始数据，采用田口法对所有初始数据进行正交阵列实验组合，获得X个变量因素对应的若干组正交阵列实验组合；

步骤二，建立具有针形翅片结构的环状热电发电机装置三维数值模型，将三维数值模型网格划分，对若干组正交阵列实验组合进行流体场-热场-电场仿真耦合，求解流体场、热场、以及电场的控制方程，具体为：对热交换器单元中的热空气通道(1)内热空气、以及冷却水通道(3)内冷却水进行流体场仿真耦合；对热电模块单元中的针形翅片(2)、热空气通道(1)、热电偶(5)、以及冷却水通道(3)进行热场仿真耦合；对热电模块单元中的热电偶(5)、以及热电发电机中串联的负载电阻进行电场仿真耦合；

步骤三，提出用净功率和转换效率作为衡量热电发电机输出性能的两个指标，并确定热电发电机的净功率、及转换效率的数学方程式，获得每个变量因素对应的若干个净功率和若干个转换效率；

步骤四，引入以净功率、或转换效率表示的信噪比参数，分别模拟出每个变量因素对应的若干个净功率信噪比、或若干个转换效率信噪比，计算出同一变量因素同一初始数据对应的平均净功率信噪比、或平均转换效率信噪比，确定同一变量因素对应的最大平均净功率信噪比、或最大平均转换效率信噪比，并将该最大平均净功率信噪比、或最大平均转换效率信噪比对应的初始数据作为该变量因素的最优初始数据，最后将X个变量因素各自对应的最优初始数据作为影响环状热电发电机输出性能的最优参数组合。

进一步地，步骤一中，X个所述变量因素为热空气温度、热空气质量流量、针形翅片高度、针形翅片直径、以及针形翅片数量。