[发明专利]一种固态温差发电热力循环的构建方法和应用

说明书

本发明属于固态温差发电技术领域，公开了一种固态温差发电热力循环的构建方法，将固态温差发电的能量耦合转换关系解耦为四个基本热力过程，即等摩尔分数吸热、等熵发电、等摩尔放热、等熵充电四个过程，形成理想固态温差发电热力循环。本发明揭示了固态温差发电的“热‑电”能量转换路径，得到的固态温差发电热力循环能够定量分析影响能量转换效率的关键环节，为固态温差发电能量转换效率的提升提供有力的理论工具；进一步还提出了不可逆损失优化和物性约束优化的实际固态温差发电热力循环以及热电材料优化方案，明确了固态温差发电能量转换效率的热力学优化路径，基于本发明优化固态温差发电材料可使能量转换效率相对提升10％。

技术领域

本发明属于固态温差发电技术领域，具体涉及一种固态温差发电能量转换效率在宽温域热源下的提升方法。

背景技术

提高余热回收利用率，减少煤炭等化石燃料燃烧在能源供给中的占比，将对我国节能降碳、推进能源结构转型具有重要意义。固态温差发电技术可实现“热-电”直接转换，与有机朗肯循环、布雷顿循环等热功转换方式相比，具有无中间环节、无相对运动部件、工作过程无噪音、环境友好、小型化可移植性强等优点，是一种可用性强、可靠性高的热电转换技术。

近年来，固态温差发电材料发电的能量转换效率提升趋势放缓。与朗肯循环、有机朗肯循环以及布雷顿循环等能源转换技术相比，固态温差发电材料发电能量转换效率相对较低，平均在10％左右，远低于对应工况下的卡诺效率，热力学完善度约为15％，而现有较为成熟的热电转换技术(如有机朗肯循环、布雷顿循环)热力学完善度普遍大于20％。因此，固态温差发电材料发电能量转换效率亟待提高，能量转换效率的提高有赖于其能量转换机制的揭示。

从热力学角度对热电材料温差发电的能量转换机理展开研究，为明确高性能热电材料设计所遵循的普适性准则提供了可能。专著“Chen G.Nanoscale energy transportand conversion:A parallel treatment of electrons,molecules and phonons[M].NewYork:Oxford University Press,2005”从热力学第一定律出发，推导出热电材料能量守恒方程，为热电材料温差发电的平衡统计热力学分析奠定了基础。热力学循环始于克劳修斯对积分工具与热力学熵内涵结合的思考，已成为经典热力学在工程领域内应用的重要工具。在此基础上，进一步在理想循环中引入了Thomson效应、Joule热及Fourier导热等不可逆性因素，构建了考虑不可逆损失的实际循环(如文献Chakraborty A.,Saha B.B.,KoyamaS.,et al.Thermodynamic modelling of a solid state thermoelectric coolingdevice:Temperature–entropy analysis[J].International Journal of Heat and MassTransfer,2006,49(19-20):3547-54)。

然而，当前对热电材料温差发电的热力学研究仍处于起步阶段，能量转换机制的理论研究尚不够深入，多种能态耦合转换，导致能量转换效率的提升机制不清。因此，开发分析固态发电能量转换机制的热力循环，对指导固态温差发电能量转换效率的进一步提升具有重要意义。

发明内容

针对固态温差发电材料能量转换过程不清的技术问题，本发明提供了一种热力学理论自洽、能量转换路径清晰的分析模型，提出固态温差发电热力循环的构建方法，为固态温差发电能量转换效率的提升提供理论指导。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：