本發(fā)明涉及熱電領(lǐng)域，具體涉及一種熱電發(fā)電機(jī)及其發(fā)散翅片厚度獲取方法。

背景技術(shù)：

1、為了應(yīng)對(duì)全球氣候變化問(wèn)題和不斷增長(zhǎng)的能源需求，利用余熱發(fā)電提供了一個(gè)有前途的解決方案，利用這一豐富的能源資源來(lái)抵消部分電力需求，熱電發(fā)電機(jī)是一種可靠的固態(tài)器件，當(dāng)在其上施加溫差時(shí)可以連續(xù)發(fā)電，可用于從汽車(chē)等一次熱源的廢氣等余熱源中回收熱量。

2、近幾年盡管熱電發(fā)電機(jī)取得了顯著進(jìn)展，但仍然面臨一些挑戰(zhàn)。由于teg的低效率和高成本，阻礙了它大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的進(jìn)程。典型的熱電發(fā)電機(jī)由散熱器、換熱器和熱電模塊組成。其中，由于換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)熱電發(fā)電機(jī)輸出性能的影響較大，所以針對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)的研究層出不窮。在換熱器中插入翅片能夠增大其與熱流之間的傳熱面積，提高熱電模塊的熱端溫度，以得到更大的輸出性能。且翅片兼具成本低、安裝簡(jiǎn)單和高效的優(yōu)點(diǎn)，適合與換熱器集成。

3、然而，翅片在實(shí)際應(yīng)用中存在以下問(wèn)題。翅片溫度在熱流入口處最高，且沿著熱流流動(dòng)方向逐漸降低，這將導(dǎo)致熱流下游的換熱器表面溫度較低；這會(huì)降低位于熱流下游方向的熱電模塊的輸出性能，此外，由于熱電模塊串聯(lián)時(shí)整體輸出電流受限于熱電模塊中最小的輸出電流，并聯(lián)時(shí)整體輸出電壓會(huì)被限制在最小的輸出電壓。因此這一現(xiàn)象將會(huì)導(dǎo)致熱電發(fā)電機(jī)整體的輸出功率偏低，造成電能的浪費(fèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中提到的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種熱電發(fā)電機(jī)及其發(fā)散翅片厚度獲取方法，通過(guò)調(diào)整發(fā)散翅片的厚度，能夠幫助換熱器從廢氣中吸收更多的熱量，并能提高換熱器表面的溫度均勻性，能夠克服熱電模塊性能受限的難題，有效地提升了熱電發(fā)電機(jī)的輸出性能。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明一種熱電發(fā)電機(jī)，包括：

4、換熱器，換熱器包括換熱外殼、空心圓筒以及設(shè)于換熱外殼與空心圓筒之間的多個(gè)發(fā)散翅片，其中發(fā)散翅片的厚度沿尾氣流動(dòng)方向不斷增大；

5、多個(gè)熱電模塊，所述換熱器每個(gè)面沿長(zhǎng)度方向貼合設(shè)有熱電模塊；

6、散熱器，散熱器與熱電模塊貼合相連。

7、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述換熱外殼、空心圓筒以及發(fā)散翅片的長(zhǎng)度相同；

8、其中換熱外殼的外截面為正六邊形，內(nèi)截面為圓形。

9、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，發(fā)散翅片上表面與換熱外殼貼合相連，下表面與空心圓筒貼合相連。

10、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述熱電模塊包括陶瓷板、銅電極、p型熱電半導(dǎo)體以及n型熱電半導(dǎo)體；所述p型熱電半導(dǎo)體和n型熱電半導(dǎo)體之間通過(guò)銅電極連接，并設(shè)于兩塊陶瓷板之間。

11、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述散熱器包括殼體以及設(shè)于殼體內(nèi)呈s型的冷卻介質(zhì)通道，所述殼體同一側(cè)設(shè)有通道入口與通道出口，其中冷卻介質(zhì)通道的介質(zhì)入口與通道入口連通，冷卻介質(zhì)通道的介質(zhì)出口與通道出口連通。

12、一種熱電發(fā)電機(jī)的發(fā)散翅片厚度獲取方法，包括以下步驟：

13、s1：獲取熱電發(fā)電機(jī)參數(shù)與發(fā)散翅片參數(shù)；

14、s2：發(fā)散翅片橫截面為梯形，得到梯形的腰與梯形的高之間所形成的夾角發(fā)散角；

15、s3：根據(jù)熱電發(fā)電機(jī)參數(shù)與發(fā)散翅片參數(shù)建立有限元模型，對(duì)有限元模型設(shè)置邊界條件，將不同發(fā)散角發(fā)散翅片輸入有限元模型中模擬，得到不同熱電發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)；

16、s4：將不同熱電發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，得到最優(yōu)厚度的發(fā)散翅片。

17、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟s1中熱電發(fā)電機(jī)參數(shù)包括冷卻介質(zhì)通道直徑、換熱外殼與空心圓筒的長(zhǎng)度、換熱外殼內(nèi)徑、空心圓筒半徑、熱電模塊數(shù)量、發(fā)散翅片數(shù)量、p型熱電半導(dǎo)體與n型熱電半導(dǎo)體的長(zhǎng)寬高、銅電極高度以及陶瓷板的長(zhǎng)寬高。

18、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟s1中發(fā)散翅片參數(shù)包括發(fā)散翅片縱截面的上下兩條邊弧線(xiàn)的半徑、發(fā)散翅片靠近尾氣入口端縱截面的弧形角度以及發(fā)散翅片的長(zhǎng)度。

19、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟s2中邊界條件為初始環(huán)境溫度、熱電發(fā)電機(jī)與空氣接觸的表面對(duì)流換熱系數(shù)、外接電阻、冷卻介質(zhì)流速、冷卻介質(zhì)入口溫度、冷卻介質(zhì)入口流速、熱流入口表面溫度以及熱流的質(zhì)量流量。

20、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟s4中具體過(guò)程是：對(duì)比不同熱電發(fā)電機(jī)輸出功率與凈功率，當(dāng)輸出功率與凈功率最優(yōu)時(shí)，則得到最優(yōu)厚度的發(fā)散翅片，具體表達(dá)式如下：

21、

22、式中：為凈功率；為輸出功率；為背壓損失；

23、

24、式中： ui為第 i個(gè)熱電模塊的輸出電壓； rl為外接負(fù)載；

25、

26、式中： v為熱流的體積流量；為熱流入口與熱流出口的壓強(qiáng)差。

27、本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，取得了以下的技術(shù)效果：

28、本發(fā)明相較于傳統(tǒng)的翅片，本發(fā)明發(fā)散翅片的改進(jìn)在于，發(fā)散翅片的厚度并非固定不變，而是沿著熱流（尾氣）流動(dòng)的方向逐漸增大；該結(jié)構(gòu)能夠有效地抵消翅片溫度下降所帶來(lái)的不利影響，進(jìn)而在熱流（尾氣）下游方向顯著增強(qiáng)換熱器的表面溫度，同時(shí)，該結(jié)構(gòu)還極大地提升了換熱器表面的溫度均勻性，確保了熱交換過(guò)程的高效與穩(wěn)定。

29、本發(fā)明借助了comsol有限元軟件進(jìn)行了深入的性能對(duì)比分析，通過(guò)模擬和計(jì)算，比較了安裝傳統(tǒng)翅片和發(fā)散翅片的熱電發(fā)電機(jī)在性能表現(xiàn)上的差異，

30、本發(fā)明發(fā)散翅片在提升熱交換效率、優(yōu)化溫度分布以及提高凈輸出功率等方面均展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。

31、本發(fā)明與現(xiàn)有的熱電發(fā)電機(jī)相比，通過(guò)安裝發(fā)散翅片，使得熱電發(fā)電機(jī)在性能上實(shí)現(xiàn)了顯著提升，受益于改善的溫度均勻性，當(dāng)多個(gè)熱電模塊進(jìn)行級(jí)聯(lián)時(shí)，電能損失得到了有效減少；不僅優(yōu)化了熱電轉(zhuǎn)換過(guò)程，還極大地提升了熱電發(fā)電機(jī)的凈輸出功率，使其在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的效率。

技術(shù)特征：

1.一種熱電發(fā)電機(jī)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種熱電發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述換熱外殼、空心圓筒以及發(fā)散翅片的長(zhǎng)度相同；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種熱電發(fā)電機(jī)，其特征在于，發(fā)散翅片上表面與換熱外殼貼合相連，下表面與空心圓筒貼合相連。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種熱電發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述熱電模塊包括陶瓷板、銅電極、p型熱電半導(dǎo)體以及n型熱電半導(dǎo)體；所述p型熱電半導(dǎo)體和n型熱電半導(dǎo)體之間通過(guò)銅電極連接，并設(shè)于兩塊陶瓷板之間。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種熱電發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述散熱器包括殼體以及設(shè)于殼體內(nèi)呈s型的冷卻介質(zhì)通道，所述殼體同一側(cè)設(shè)有通道入口與通道出口，其中冷卻介質(zhì)通道的介質(zhì)入口與通道入口連通，冷卻介質(zhì)通道的介質(zhì)出口與通道出口連通。

6.根據(jù)權(quán)利要求1～5任一項(xiàng)所述一種熱電發(fā)電機(jī)的發(fā)散翅片厚度獲取方法，其特征在于，包括以下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種熱電發(fā)電機(jī)的發(fā)散翅片厚度獲取方法，其特征在于，所述步驟s1中熱電發(fā)電機(jī)參數(shù)包括冷卻介質(zhì)通道直徑、換熱外殼與空心圓筒的長(zhǎng)度、換熱外殼內(nèi)徑、空心圓筒半徑、熱電模塊數(shù)量、發(fā)散翅片數(shù)量、p型熱電半導(dǎo)體與n型熱電半導(dǎo)體的長(zhǎng)寬高、銅電極高度以及陶瓷板的長(zhǎng)寬高。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種熱電發(fā)電機(jī)的發(fā)散翅片厚度獲取方法，其特征在于，所述步驟s1中發(fā)散翅片參數(shù)包括發(fā)散翅片縱截面的上下兩條邊弧線(xiàn)的半徑、發(fā)散翅片靠近尾氣入口端縱截面的弧形角度以及發(fā)散翅片的長(zhǎng)度。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種熱電發(fā)電機(jī)的發(fā)散翅片厚度獲取方法，其特征在于，所述步驟s2中邊界條件為初始環(huán)境溫度、熱電發(fā)電機(jī)與空氣接觸的表面對(duì)流換熱系數(shù)、外接電阻、冷卻介質(zhì)流速、冷卻介質(zhì)入口溫度、冷卻介質(zhì)入口流速、熱流入口表面溫度以及熱流的質(zhì)量流量。

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種熱電發(fā)電機(jī)的發(fā)散翅片厚度獲取方法，其特征在于，所述步驟s4中具體過(guò)程是：對(duì)比不同熱電發(fā)電機(jī)輸出功率與凈功率，當(dāng)輸出功率與凈功率最優(yōu)時(shí)，則得到最優(yōu)厚度的發(fā)散翅片，具體表達(dá)式如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及熱電領(lǐng)域，具體涉及一種熱電發(fā)電機(jī)及其發(fā)散翅片厚度獲取方法，一種熱電發(fā)電機(jī)，包括：換熱器，換熱器包括換熱外殼、空心圓筒以及設(shè)于換熱外殼與空心圓筒之間的多個(gè)發(fā)散翅片，其中發(fā)散翅片的的厚度沿尾氣流動(dòng)方向不斷增大；本發(fā)明相較于傳統(tǒng)的翅片，本發(fā)明發(fā)散翅片的改進(jìn)在于，發(fā)散翅片的厚度并非固定不變，而是沿著熱流（尾氣）流動(dòng)的方向逐漸增大；該結(jié)構(gòu)能夠有效地抵消翅片溫度下降所帶來(lái)的不利影響，進(jìn)而在熱流（尾氣）下游方向顯著增強(qiáng)換熱器的表面溫度，同時(shí)，該結(jié)構(gòu)還極大地提升了換熱器表面的溫度均勻性，確保了熱交換過(guò)程的高效與穩(wěn)定。

技術(shù)研發(fā)人員：羅丁,張浩慷,陳昊,耿莉敏,張鵬,張文博,楊志剛,高楠
受保護(hù)的技術(shù)使用者：長(zhǎng)安大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30