英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
论文翻译
用于太阳能收集系统的热电发生器的离散数值模型的验证
摘要
在太阳能收集系统中，由于收集技术的原因，在热电模块的热端和冷端会出现很大的温度差。因此，在热电发生器的性能评估中，因温度变化的非线性塞贝克系数、电导率和热电材料的热导率不应该被忽视。在此，建立一个拥有低计算费用、高精度和广阔应用范围优势的离散的数值模型去设计太阳能收集系统中的热电发生器。与温度有关的材料属性和接触电阻都纳入离散的数值模型。此外，实施一个实验去测量Bi2Te3热电发生器在不同温度差异下工作的性能。最后，将离散数值模型的计算结果与实验数据和用常用的常数属性模型得到的理论结果进行比较。结果表明，实验测量结果和常量属性模型输出功率之间的差异，在温度差小于59K时，小于4%，在温度差达到251K时上升到12.6%，同时，当温度差高于251K时，离散的数值模型计算出的输出功率和实验测量出的输出功率之间的误差小于2%。
关键词
数值模型、热电发生器、太阳能收集系统、实验验证、温度依赖
接受日期:2013年12月30日；接受:2014年4月25日
简介
随着传统的化石燃料对环境的有害影响不断增加，可再生能源的发展受到越来越多的重视。因为它的可再生能力和大范围的存在，太阳能是一个重要的能量来源。热电发生器将太阳热能直接转换为电能，被证实是一个好的方法。收集技术通过增加太阳能的利用率可以提高热电发生器的输出功率。因此，太阳能热电收集技术已经成为了一个重要的研究主题。一般而言，一个太阳能热电收集系统包含一个太阳能跟踪系统、一个太阳光收集器、一个热电发生器和其他的辅助设备。这篇论文主要讨论用于太阳能收集系统的热电发生器的性能。
热电发生器的性能主要通过增加热电材料的属性得到提高。Chen et al.总结了热电材料的研究进展。Bi2Te3/Sb2Te3量子阱超晶格可以达到一个高品质因素，300K时为2.4，Bi0.4Sb1.6Te3在316K时的品质因素为1.8，Ba0.08La0.05Yb0.04Co4Sb12在850K时为1.7，Si80Ge20P2在1173K时为1.3.Amouyal报告称LaxAg1-xAg1-xSbTe2型的材料的品质因素可以提高超过三倍。随着热电技术的发展，这种太阳能热电收集系统在实际应用中，已经向我们展示出光明的前景。
对于热电发生器性能的许多模型估计已经在各种文献中不断发展。一种最简单的模型是常量属性模型，在这种模型中，材料的属性被假设成常量并且采用热电支柱的平均温度。在过去的一段时间，常量属性模型被广泛的用于热电发生器的设计。例如，Omer和Infield发展了一个改善过的理论模型，为了对热电发生器进行几何优化和性能预测，这个模型考虑了热电发生器在热传导过程中所有系数的影响。Qungui et al.用常属性材料的性能通过MATLAB和ANSYS软件，分析了电阻率，热电偶大小，变化的属性系数和接触效应对热电发生器性能的影响。Weng et al.用测量的材料属性（它们全都是常数）调查了热交换器的数目和覆盖率对热电发生器效率的影响。并且，一些其他研究者已经考虑过热电材料的属性在可操作温度场中的变化。Antonova和Looman在ANSYS软件中，用平均温度材料属性和与温度有关的材料属性对不同的热电应用实施了稳态、瞬态和参数化模拟。Chen et al.提出了一个运用在可获得的商用SPICE模拟器的模型并且通过比较ANSYS模拟结果和测量的结果，验证了它的精确性。Felgner et al.在开放Modelica语言中通过分析电压、电功率和每个组件上的不同热量并且比较了TrDPa-int计算模型（TrDPa-积分模型）、StAP计算模型（简单的静态平均性能模型）和测量到的随时间变化的电功率，发展了一个复合的瞬时分布的性能模型(TrDP模型)。Fraisse et al.通过比较讨论了这种简化模型和更多精确模型（例如建立在电学类比和有限元方法上的模型）的优点和缺点。他们指出，尽管这种通过考虑与温度有关的材料性能且建立在商业软件上的模型能够精确的估计热电发生器的性能，可靠的简化模型也是必须的。
在这篇论文中，建立了一个拥有低计算成本和高精确度的离散的数值模型（DNM），去估计热电发生器的性能。这个模型考虑了真实的非线性温度依赖性的热电材料的性能和接触电阻并且用C语言实施而不是通过其他的商业软件例如ANSYS和SPICE。 “模型描述”部分首先从热电耦合微分方程, 推导一般的CPM模型，通过将热电支柱分为几个部分，进一步推导出离散的数值模型（DNM）。此外，一个关于测量基于Bi2Te3材料的热电发生器在不同温度差异下的性能的实验将在实验部分描述。“在不同温度差异下的热电发生器的实验性能”和“理论计算”部分，分别用CPM模型和DNM模型，呈现了实验结果和相应的理论计算结果。“理论计算结果和实验结果比较”部分比较了理论结果和实验结果并且验证了运用于热电发生器性能评估的DNM模型的精确性。最后，结论和进一步的DNM模型的应用预测将展现在“结论”部分。
模型描述
用于热电发生器性能计算的基本理论
用于热电发生器的性能计算的基本理论是热电耦合微分方程。当电流流经热电支柱并伴随温度差异时，热电反应发生。这些反应是由电荷传输和热传输的耦合造成的。在稳态条件下，热电支柱上控制一维温度和电势分布的方程已经由Seifert et al.给出。
(1)
分别表示塞贝克系数、热导率和电导率。J表示电流密度，T表示温度。
热电材料的研究表明几乎所有的热电材料的特性都是非线性温度函数。拿用于我们实验的Bi2Te3材料为例，Bi2Te3材料的热电特性和温度之间的非线性关系呈现在图一。因此，获取方程1的分析结果是很困难的。
图1.不同温度下p型和n型Bi2Te3材料的热电特性（a）电导率（b）热导率（c）塞贝克系数
常量特性模型
为了获取方程1的近似分析结果，CPM模型假设作为常量，表明和=0.因此方程1可以简化为
(2)
热电模块的热节点和冷节点的温度分别假设为和。因此，代表热电支柱温度场的方程2的分析结果可以得到
x (3)
这里L表示热电支柱的长度。那么，根据热流表达式q=被热节点吸收的热量和被冷节点排斥的热量可以表示为
(4)
和
(5)
这里I表示流经热电支柱的电流，、和分别表示塞贝克系数、热导率和内电阻，它们的值分别由平均计划计算。右上标n和p分别表示n型和p型，右上标h和c分别表示热节点和冷节点。
然而，在对应用于太阳能收集系统的热电发生器的性能进行估计时，CPM模型可能会产生明显的误差。因为大量的温度差异（达到500K）和的非线性温度依赖性。这将在“理论计算结果和实验结果比较”部分进行验证。
离散数值模型
为了考虑热电材料特性的真实温度依赖性，DNM模型在此建立。图2表明DNM模型用在单一的热电对上。
图2.一个热电对的DNM模型。和，进入和离开热电模块的热量。N，热电模块中热电对的编号。和,进入和离开第i段的热量。
根据有限空间离散化理论，DNM模型将每个热电支柱分为多段。这里，n型支柱被分为n个段，p型支柱被分为m个段。通过控制m和n的数值，每个部分的温度差异能够足够小，以至于每个部分的能够看作常量。因此，CPM模型能被应用于每个部分。假如第i段的边界条件是
= (6)
根据CPM模型，流进和流出第i个段的热量可以分别表示为
(7)
和
(8)
这里、和分别表示第i段的塞贝克系数、热导率和内电阻。它们用平均计划计算，如下
(9)
(10)
和
(11)
这里A表示各段之间的交叉区域，Li表示第i个部分的长度，i表示各部分的序号，对于n型支柱从1到n-1，对于p型支柱从1到m-1。
假设热电支柱的端部是热绝缘的，热量从一个部分离开会进入邻近的部分。如图2所示，由第i个段流出的热量等于流进第i 1段的热量
(12)
热电模块由N对热电对组成，总的接触电阻是。热电模块的总的内部电阻可以表示为
(13)
根据电路理论，当负载电阻等于总的内电阻时，输出功率达到最大。因此，对应于最大输出功率的电流可以表示为
(14)
如果已知热电模块冷热节点的温度和,几何参数L，，和N以及对温度依赖性的材料特性包含,热电支柱的温度分布可以通过联立方程（6）到（14）计算出来。、和对应于每个节点的温度。因此，如图3所示，运用数值迭代算法解出这些方程。
图3.迭代算法的流程图。Th和Tc,热电模块在热节点和冷节点的温度。L,和,长度,p型和n型支柱的截面积。N，热电模块的热电对的编号。，对应温度下的塞贝克系数，热导率和电导率
给定一个初始温度分布。在这里,根据给定的和，假设一个线性温度曲线。
根据温度曲线的数值和给定的L,,,N,，可以计算出每个部分的热电材料特性、和。于是，可以用方程（13）（14）计算出总的内电阻R和电流I。
通过解出由方程（7）（8）和（12）组成的方程组，可以得到一个新的温度场，这里i=1，hellip;hellip;,n-1对应于n型支柱，1，hellip;hellip;，m-1对应于p型支柱。如果结果不收敛，重复第2步。
重复第2步和第3步直到结果收敛。这个结果是热电支柱精确的温度场，最后，执行第5步。
最大的输出功率和转换效率用方程（15）到（17）计算。
=N[ (15)
(16)
(17)
这里是由热电模块热节点吸收的热量。在方程（15）中，()I-( )IT代表Peltier热量，I )I表示Thomson热量，( )表示Joulersquo;s热量。这个方程表明，因为在DNM模型中考虑了有温度依赖性的塞贝克系数，Thomson效应发生。这个结论与Thomson系数的定义一致。
DNM模型的精确性与划分的部分数目相关。划分部分的数目的分析将在“理论计算”部分详细描述。当划分部分的数目为1时，DNM模型等价于CPM模型。换句话说，CPM模型是DNM模型的特例。
实验
为了测量在不同温度差异下热电发生器的性能，在图4中，建立了一个实验机构。图4(a)显示了实验装置的图片，一部由LVAC-RIKD技术公司提供的PEM-1型热电转换效率测试系统。为了更清楚的描述这个实验机构，实验系统的原理图在图4(b)中展示。热电模块被放置在热量收集器和热量混合剂之间。为了模拟太阳光热源，给电阻加热，为热电模块的热节点提供热量。由水循环冷却装置提供的冷水维持热电模块冷节点的温度。此外，为了达到最高的输出功率，由Kikusui电子公司开发的程序控制的电子负载被连接进热电模块来组成一个闭合回路。
这个实验采用由上海申河热磁电子有限公司生产的基于Bi2Te3材料的商业热电模块。这个热电模块包含97对热电对。所有的热电对夹在两个铝氧化板中，并且电端串联，热端并联。
在图1中展示了不同温度下p型和n型Bi2Te3材料的特性。实验系统中每个组合的系数数值总结在表1中。
图4.热电发生器的实验系统的（a）图片和（b）原理图。六个用作温度传感器的热电偶探针被插入的A,B,C,D,E和F槽中。
表1.实验中每个组成原件的尺寸
实验测量的数据包含温度1到温度6，，，电流Imea和负载电阻上的电压Vmea。正如图4(b)所示，温度1和温度2是集热器A点和B点的温度，是两点的距离。这些数据被采集通过下面方程用来计算进入热电模块的实验热量。
(18)
温度5和温度6是热混合剂上C点和D点上的温度，是两点之间的距离。这些系数通过下面方程用来去计算离开热电模块的热量。
(Temp5-Temp6)/ (19)
温度3和温度4分别代表热电模块热节点和冷节点的温度。
为了提高实验的精确度，实验样本被放置在真空环境下。六个用作温度传感器的热电偶探针被插入集热器，热混合剂和热电模块表面的A,B,C,D,E和F槽中。在测量过程中，温度由高精度的温度控制仪器控制。所有的测量数据用数据采集系统获取。
结果和讨论
在不同温度差下热电发生器的实验性能
当冷接点的温度Temp4维持在20℃时，实验中热接点测得的稳定的温度Temp4为79，96，121,146,162,178,194,225,241,256和271℃。对于
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[139440]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
