專利名稱：一種微型溫差電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溫差電池領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種微型溫差電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
溫差電池是一種全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，利用溫差電材料的塞貝克效應(yīng)可將熱能轉(zhuǎn)換成電能。溫差電池具有對工作環(huán)境的高度適應(yīng)性、性能的高度穩(wěn)定性、壽命長、無需維護(hù)、 無污染、無震動以及無噪音等優(yōu)點(diǎn)，目前其應(yīng)用范圍主要在于對廢熱的回收利用，以及作為一些設(shè)備的獨(dú)立電源等方面，但是低的熱電轉(zhuǎn)換效率已成為限制其應(yīng)用的一個瓶頸。溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率主要受兩方面因素影響，一方面是溫差電材料的熱電性能，另一方面是溫差電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計。一直以來，對溫差電材料的研究較多，且已達(dá)到一定的水平，短期內(nèi)材料的性能不太可能有較大提升，而對溫差電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計正受到越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的一維模型優(yōu)化方法忽略了較多的實際情況，優(yōu)化結(jié)果與實際效果相差較大，而目前文獻(xiàn)報道的有限元分析方法是一種優(yōu)化溫差電池結(jié)構(gòu)的較好的技術(shù)，但是該方法模型的建立以及后續(xù)的分析均比較復(fù)雜，使用起來耗時費(fèi)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微型溫差電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法。該方法更多地結(jié)合微型溫差電池的實際細(xì)節(jié)，建立起表達(dá)微型溫差電池性能的一維數(shù)學(xué)模型，通過計算得出電池性能最優(yōu)情況下，溫差電池的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。該方法簡單易于掌握，且準(zhǔn)確度較好，對溫差電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計有較大的參考價值。本發(fā)明的優(yōu)化方法針對具有圖1結(jié)構(gòu)單元的溫差電池進(jìn)行。這種溫差電池由外封裝層1、導(dǎo)電連接層2、填充材料3、P型溫差電腿4和η型溫差電腿5構(gòu)成。溫差電池中的 P型溫差電腿4和η型溫差電腿5平行排列，導(dǎo)電連接層2用于實現(xiàn)ρ型溫差電腿4和η型溫差電腿5之間的電串聯(lián)，外封裝層1以及填充材料3用于保護(hù)溫差電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)第一步，確定溫差電池所用材料的性質(zhì)和所處的工作環(huán)境(l)n型溫差電材料的塞貝克系數(shù)Cin、電阻率Pn、熱導(dǎo)率λη、η型溫差電材料與導(dǎo)電連接層間的接觸電阻率Pn-。。nta。t型溫差電材料的塞貝克系數(shù)αρ、電阻率Pp、熱導(dǎo)率λρ、ρ型溫差電材料與導(dǎo)電連接層間的接觸電阻率Pp-。。nta。t(3)填充材料的熱導(dǎo)率入!(4)溫差電池冷熱端面上外封裝層材料的熱導(dǎo)率λ 0和厚度&(5)溫差電池?zé)岫死涠碎g之間的溫差Δ T(6)溫差電池?zé)岫说臏囟萒h。t(7)溫差電池外接負(fù)載的電阻值為Rui和額定功率為Ptl第二步，設(shè)定溫差電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)
設(shè)定η型溫差電腿的截面半徑a、ρ型溫差電腿的截面半徑b及溫差電腿的高度 h的取值范圍和步進(jìn)量，并根據(jù)下述公式進(jìn)行逐步迭代計算，直至得到溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率的最大值nmax，此時對應(yīng)的a、b、h即為最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù) X ■、-本發(fā)明提出的溫差電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，將溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率與溫差電池中的各種材料的相關(guān)性質(zhì)參數(shù)，溫差電池的熱端和冷端溫度，溫差電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及與溫差電池相連接的負(fù)載的相關(guān)參數(shù)聯(lián)系起來。上述的相關(guān)性質(zhì)參數(shù)包括溫差電池所采用的 η型溫差電材料和ρ型溫差電材料的塞貝克系數(shù)、熱導(dǎo)率、電阻率以及接觸電阻率數(shù)據(jù)，溫差電池中各溫差電腿之間的填充材料的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，以及溫差電池冷端和熱端上所使用的外封裝層的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，本發(fā)明用上述參數(shù)來優(yōu)化溫差電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即η型溫差電腿和P型溫差電腿的截面積(即半徑)及高度。本發(fā)明提出的這種優(yōu)化方法更多的考慮了溫差電池的實際情況，包括(l)n型溫差電腿5和ρ型溫差電腿4的截面積相同或不同；型溫差電腿5和ρ型溫差電腿4與導(dǎo)電連接層2之間均存在接觸電阻；(3)熱量從熱端沿溫差電腿(包括ρ型溫差電腿4、η型溫差電腿5)及溫差電腿之間的填充材料3兩種渠道傳遞到冷端；(4)溫差電腿上、下端面之間的溫差，等于溫差電池?zé)岫伺c冷端之間的溫差減去消耗在上、下外封裝層上的溫差；本發(fā)明提出的這種優(yōu)化方法將熱電轉(zhuǎn)換效率與溫差電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)系起來，以熱電轉(zhuǎn)換效率為優(yōu)化對象，得到效率最高時對應(yīng)的溫差電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)。該方法科學(xué)合理， 計算結(jié)果準(zhǔn)確性較好，這對于優(yōu)化溫差電池的結(jié)構(gòu)，提升溫差電池的性能具有較大的指導(dǎo)
眉、ο


圖1溫差電池中由一條η型溫差電腿和一條ρ型溫差電腿構(gòu)成的溫差電單元的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。編號說明1為外封裝層，2為導(dǎo)電連接層，3為填充材料，4為ρ型溫差電腿，5為η型溫差電腿。圖2本發(fā)明的優(yōu)化方法示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明采用的溫差結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，綜合考慮了以下的實際情況(l)n型溫差電腿 5和ρ型溫差電腿4的截面積相同或不同；O) η型溫差電腿5和ρ型溫差電腿4與導(dǎo)電連接層2之間均存在接觸電阻；(3)熱量從熱端沿溫差電腿(包括ρ型溫差電腿4、η型溫差電腿幻及溫差電腿之間的填充材料3兩種渠道傳遞到冷端；(4)溫差電腿上、下端面之間的溫差等于溫差電池?zé)岫死涠酥g的溫差減去消耗在上、下外封裝層上的溫差。具體優(yōu)化方法如下第一步，假設(shè)溫差電池的總面積為At，其中含有N對溫差電單元，且溫差電腿4或5為圓柱體(溫差電腿為其它形狀的情況類似)，參照附圖1，以一對溫差電單元區(qū)域為研究對象，則其電阻可用[1]式表示如下
權(quán)利要求
1. 一種微型溫差電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，其特征在于， 首先，確定溫差電池所用材料的性質(zhì)和所處的工作環(huán)境(I)n型溫差電材料的塞貝克系數(shù)αη、電阻率Pn、熱導(dǎo)率λη、η型溫差電材料與導(dǎo)電連接層間的接觸電阻率Pn_。。nta。t型溫差電材料的塞貝克系數(shù)α p、電阻率pp、熱導(dǎo)率λρ、ρ型溫差電材料與導(dǎo)電連接層間的接觸電阻率Pp_。。nt。at(3)填充材料的熱導(dǎo)率λ丨(4)溫差電池冷熱端面上外封裝層的熱導(dǎo)率λ^和厚度&(5)溫差電池?zé)岫死涠碎g的溫差ΔT(6)溫差電池?zé)岫说臏囟萒h。t(7)溫差電池外接負(fù)載的阻值為Rui和額定功率為Ptl然后分別設(shè)定溫差電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括η型溫差電腿的截面半徑a、ρ型溫差電腿的截面半徑b及溫差電腿的高度h的取值范圍和步進(jìn)量，并根據(jù)下述公式進(jìn)行逐步迭代計算， 直至得到溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率的最大值Hmax，此時對應(yīng)的a、b、h即為最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)參再將優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)a、b、h，代入下式中得到最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)溫差電池的總面積Ατ， 和溫差電池中含有的溫差電單元數(shù)量N
全文摘要
本發(fā)明公開了一種溫差電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，該方法更多地考慮了溫差電池的實際細(xì)節(jié)，將溫差電池的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)化效率與溫差電池中的各種材料的相關(guān)性質(zhì)參數(shù)聯(lián)系起來，最后進(jìn)行優(yōu)化，以得到溫差電池?zé)狳c(diǎn)轉(zhuǎn)化效率最優(yōu)時所對應(yīng)的溫差電池結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值。該方法準(zhǔn)確性好，對溫差電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較大的參考價值和指導(dǎo)意義。
文檔編號H01L35/34GK102437280SQ20111042842
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者龐可可, 王為 申請人:天津大學(xué)