溫差發(fā)電單元（TEG單元）的研究與優(yōu)化案例目錄TOC\o"1-3"\h\u4002溫差發(fā)電單元（TEG單元）的研究與優(yōu)化案例 1121431.1TEG模型的建立 1318181.2 余熱利用溫差發(fā)電系統(tǒng)熱電耦合仿真流程 284151.2.1參數(shù)定義 286701.2.2求解設(shè)置 5251161.3溫差發(fā)電單元特性分析與參數(shù)優(yōu)化 9269841.3.1負(fù)載電阻變化對(duì)溫差發(fā)電性能的影響 916331.3.2熱電偶截面形狀變化對(duì)溫差發(fā)電性能的影響 10138341.3.3熱電偶長(zhǎng)度變化對(duì)溫差發(fā)電性能的影響 11301411.3.4熱電偶截面積變化對(duì)溫差發(fā)電性能的影響 121.1TEG模型的建立 在忽略焊料層時(shí)，溫差發(fā)電單元模型，其由陶瓷板、導(dǎo)流銅板、熱電偶組成，且每一部分熱阻串聯(lián)，如圖1.1所示。各層之間通過(guò)導(dǎo)電銅片連接，最外層由陶瓷板進(jìn)行封裝，現(xiàn)在，許多TEG模塊外層還涂抹石墨便于耐高溫。圖1.1溫差發(fā)電單元TEG模塊實(shí)物圖，如圖1.2所示。其是江西thermonatic熱電電子公司制造，型號(hào)為T(mén)EHP1-1264-0.8的TEG模塊，其由126對(duì)溫差發(fā)電單元組成。圖1.2溫差發(fā)電模塊實(shí)物江西thermonatic熱電電子公司制造的，型號(hào)為T(mén)EHP1-1264-0.8的溫差發(fā)電單元模塊的物理參數(shù)，見(jiàn)表1.1所示。表1.1溫差發(fā)電模塊物性參數(shù)物性參數(shù)整體模塊尺寸40×40×1.8(mm×mm×mm)溫差發(fā)電單元126(對(duì)數(shù))開(kāi)路電壓8(V)動(dòng)態(tài)內(nèi)阻1.59(Ω)匹配負(fù)載最大輸出電壓4(V)最大輸出功率9.8(W)1.2 余熱利用溫差發(fā)電系統(tǒng)熱電耦合仿真流程1.2.1參數(shù)定義 使用江西thermonatic熱電電子公司制造的型號(hào)為T(mén)EHP1-1264-0.8的TEG模塊，其TEG模塊熱電參數(shù)，見(jiàn)表1.2所示。表1.2TEG模塊熱電參數(shù)名稱塞貝克系數(shù)(μV/K)熱導(dǎo)率(W/m·K)電導(dǎo)率(10-5?Ω·m)P型-1.852×10-5T3+0.01831T2-5.968T+862.1-6.124×10-8T3+1.073×10-4T2-0.05184T+8.957-1.186×10-8T3+4.532×10-7T2+0.01113T-2.129N型1.798×10-5T3-0.01965T2+7.141T-10791.042×10-8T3-1.113×10-6T2-0.008625T+1.594-5.67×10-8T3+5.665×10-5T2-0.01546T+1.889陶瓷片––––––20––––––導(dǎo)電銅片––––––387.61.75×10-3由上表可知，P型電偶臂、N型電偶臂的塞貝克系數(shù)、熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率是隨溫度變化的一組數(shù)值，這些系數(shù)與溫度的關(guān)系擬合成了一條條的曲線方程，代入溫度可求出對(duì)應(yīng)系數(shù)的值。取溫度由20°C至140°C，每隔10°C取一個(gè)溫度數(shù)值，將其代入P型與N型電偶臂的塞貝克系數(shù)的曲線方程，得出不同溫度下P型電偶與N型電偶的Seebeck系數(shù)，得出的結(jié)果，見(jiàn)表1.3所示。表1.3PN型Seebeck系數(shù)溫度(°C)P型Seebeck系數(shù)(10-4V/K)N型Seebeck系數(shù)(10-4V/K)200.000749-0.000943300.000699-0.000881400.000651-0.000823500.000607-0.000768600.000565-0.000717700.000527-0.000669800.000492-0.000624900.000459-0.0005821000.000429-0.0005431100.000402-0.0005071200.000377-0.0004731300.000355-0.0004431400.000334-0.000415取溫度由20°C至140°C，每隔10°C取一個(gè)溫度數(shù)值，將其代入P型與N型電偶臂的塞貝克系數(shù)的曲線方程，得出不同溫度下P型電偶與N型電偶的熱導(dǎo)率，得出的結(jié)果，見(jiàn)表1.4所示。表1.4PN型熱導(dǎo)率溫度(°C)P型熱導(dǎo)率(W/m·K)N型熱導(dǎo)率(W/m·K))207.962631.42049307.4967161.3332407.051161.2459666506.6255951.15877606.21965121.071863705.832962.98543805.4651652.899651905.1158862.814711004.784762.730791104.4714192.6480711204.175492.5667381301.8966252.4869731401.6344372.408957取溫度由20°C至140°C，每隔10°C取一個(gè)溫度數(shù)值，將其代入P型與N型電偶臂的塞貝克系數(shù)的曲線方程，得出不同溫度下P型電偶與N型電偶的電導(dǎo)率，得出的結(jié)果，見(jiàn)表1.5所示。表1.5PN型電導(dǎo)率溫度(°C)P型電導(dǎo)率(Ω·m)N型電導(dǎo)率(Ω·m)201.68E-051.68E-05301.72E-051.72E-05401.74E-051.74E-05501.74E-051.74E-05701.71E-051.71E-05901.61E-051.61E-051101.37E-051.37E-051201.27E-051.27E-051301.19E-051.19E-051401.03E-051.03E-05在忽略焊料層的情況下，建立一個(gè)溫差發(fā)電單元模型，便于后續(xù)的ANSYS仿真，其物理尺寸物理參數(shù)，見(jiàn)表1.6所示；表1.6溫差發(fā)電單元的尺寸參數(shù)結(jié)構(gòu)數(shù)值陶瓷基板厚度0.6mm導(dǎo)流銅片厚度0.2mm熱電偶臂長(zhǎng)2mm熱電偶橫截面邊長(zhǎng)4mmPN電偶的間隙2mm1.2.2求解設(shè)置 在上述小節(jié)的準(zhǔn)備工作基礎(chǔ)上，介紹一下使用ANSYSWorkbench進(jìn)行熱電偶仿真的流程：使用ANSYSWorkbench工程進(jìn)行溫差發(fā)電單元熱耦合仿真進(jìn)行相關(guān)數(shù)值模擬的一般過(guò)程如下：1、確定ANSYS分析類型，本設(shè)計(jì)使用熱-電耦合分析；2、選擇相應(yīng)的熱電仿真模塊，本設(shè)計(jì)選擇Thermo-Electric模塊；3、在熱電仿真模塊(Thermo-Electric模塊)中的Model里，按照表1.6里的溫差發(fā)電單元的尺寸參數(shù)建立幾何模型，建立的無(wú)焊料層溫差發(fā)電單元，如圖1.3所示；圖1.3溫差發(fā)電單元幾何模型的建立4、將表1.3~1.5的數(shù)據(jù)導(dǎo)入EngineeringData中，可得到溫度由20°C至140°C時(shí)，PN型電偶臂的Seebeck系數(shù)、熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率隨溫度變化而變化的一組曲線。P型電偶臂與N型電偶臂的Seebeck系數(shù)隨溫度變化而變化的曲線，分別如圖1.4、1.5所示。圖1.4P型電偶臂的Seebeck曲線圖1.5N型電偶臂的Seebeck曲線P型電偶臂與N型電偶臂的熱導(dǎo)率曲線，分別如圖1.6、圖1.7所示。圖1.6P型電偶臂的熱導(dǎo)率曲線圖1.7N型電偶臂的熱導(dǎo)率曲線P型電偶臂與N型電偶臂的電導(dǎo)率曲線，分別如圖1.8、圖1.9所示，。圖1.8P型電偶臂的電阻率曲線圖1.9N型電偶臂的電阻率曲線5、因溫差發(fā)電單元都是比較規(guī)則的幾何圖形，故使用六面體網(wǎng)格劃分；6、在DesignSimulation中設(shè)置邊界條件如電壓、溫度等，并設(shè)置電勢(shì)耦合；7、求解并顯示溫度及電壓結(jié)果。8、獲得輸出功率。1.3溫差發(fā)電單元特性分析與參數(shù)優(yōu)化 1.3.1負(fù)載電阻變化對(duì)溫差發(fā)電性能的影響 此時(shí)的溫差發(fā)電單元的內(nèi)阻，由式(2.8)可見(jiàn)。得到溫差發(fā)電單元的總電阻，為0.04Ω。由式(2-17)可見(jiàn)，當(dāng)m=1時(shí)，P獲得最大值，而此時(shí)Pmax與單元的總電阻、PN電偶臂材料的塞貝克系數(shù)之差、冷熱兩端的溫差有關(guān)。此時(shí)設(shè)置高溫端為135攝氏度，低溫端為27攝氏度。通過(guò)改變負(fù)載電阻的阻值，得到不同阻值比。從而得到不同阻值比的輸出功率變化曲線，如圖1.10所示。由曲線可知，在阻值比RL/R為1.01時(shí)，有最大輸出功率0.43W。而理論上阻值比為1時(shí)，才有最大輸出功率。這可能是因?yàn)闇夭畎l(fā)電單元的電阻率是隨溫度變化而變化的，而此處取平均溫度處的電阻率，故有一定的誤差。圖1.10阻值比與輸出功率曲線圖1.3.2熱電偶截面形狀變化對(duì)溫差發(fā)電性能的影響 圖1.11熱電偶截面形狀為正方形圖1.12熱電偶截面形狀為三角形圖1.13熱電偶截面形狀為圓形由上個(gè)實(shí)驗(yàn)可以得出，熱電偶橫截面為正方形時(shí)，在阻值比RL/Rin為1.01，有最大輸出功率0.43W。此次實(shí)驗(yàn)1.3.3熱電偶長(zhǎng)度變化對(duì)溫差發(fā)電性能的影響 電偶長(zhǎng)度電偶面積最大輸出功率0.05mm16mm21.198w0.10mm16mm21.735w0.15mm16mm21.806