[发明专利]一种温差热电偶材料分段动态温差发电系统时域分析方法

说明书

本发明给出一种温差热电偶材料分段动态温差发电系统时域分析方法，首先建立基于温差热电偶材料分段的动态温差发电系统的基本物理特性的热电偏微分方程模型和边界条件，其次对系统热路和电路进行了更具体的分析，并进行时间、空间离散化处理，从能量守恒的角度建立区域内部节点和边界节点物理量的代数方程，然后从时间初始值出发，进行迭代求解，最终可得到温差热电偶材料分段的动态温差发电系统内部各处温度和电场强度的数值解。通过动态温差发电内部温度和电场强度的数值解的分析，可进一步对温差发电系统的进行更具体的分析和设计，并且结果更加精确。

技术领域

本发明涉及半导体温差发电技术领域，尤其涉及一种温差热电偶材料分段动态温差发电系统时域分析方法。

背景技术

1821年德国科学家Seebeck发现，在两种不同的金属构成的闭合回路中，当两个接头存在温差时，回路将产生电流，这个现象被称为塞贝克效应。温差发电就是利用塞贝克效应，通过在热电材料两端维持一定的温差，从而产生一定的电压和电功率输出。通过研究发现，半导体材料的热电优值较大，目前人们在温差系统中应用的热电材料都是半导体材料，所以又称为半导体温差发电。

随着人们对能源危机的认识，温差发电技术可以利用自然界中存在的大量的温差以及工业余热，具有良好的综合社会经济效益。同时，随着人们对空间探索兴趣，医用物理学的进展，和大规模无线传感器的应用，需要开发一类能够自身供给能量并无需照看的电源系统，显然，温差发电对这些应用极为合适。温差发电作为一种全固态能量转换方式，具有无介质泄露，无噪声，性能可靠，维护少等优点的绿色环保能源，在微型能源、低品位能源、废能源利用方面的应用价值越来越明显。因而，尽快实现温差发电技术及其应用的产业化具有重要的现实意义。而温差发电系统的分析和设计依赖于实际的工作状况，故针对不同的实际情况进行合理的温差发电系统模型是对温差电系统的各种参数进行更具体的分析和设计的基础。

中国专利文献CN201410189306.6公开了一种温差发电系统电动势计算方法，在该专利中采用的对温差电系统进行分析计算的数学模型，对实际温差发电系统进行了如下的近似：

认为温差电系统中的物理特性参数是恒定值，即为常数；

认为边界处的热流或温度是时不变的，即为常数，

故专利文献CN201410189306.6中温差电系统电动势的计算方法，将不同物质交界处的边界条件，简单近似为连接处的流体平衡，只适用于温差发电系统是处于常物性的，边界处可简单近似为平衡态情况下，稳态线性温差电系统的分析，而对于温差发电系统处于非平衡态时是不适用的，即不能用于分析动态温差发电系统的瞬态过程。

而有时候实际的温差电系统中，许多材料的最大优值温度范围通常较窄，很难使材料达到最佳掺杂分布，也难于覆盖整个应用温区，为了提高整个温差电偶在整个工作温区内的平均优值，采用分段结构以提高器件的发电性能，当温差较小时，其中的各段可采用同一种材料，进行不同的掺杂而获得，但对于温差较大的情形，由于材料最大优值范围的熔点等限制，其中各段需要采用不同的材料构成。因此，实际的温差电偶是由几种材料组成时，在不同的分段区域物质的物理特性参数很显然是不相同的，不再是恒定值。

发明内容

本发明的目的是提供一种温差热电偶材料分段动态温差发电系统时域分析方法，通过本发明中的方法得到动态温差发电内部温度和电场强度的数值解，可进一步对热端热流时变动态温差发电系统的进行更具体的分析和设计，并且结果更加精确。

本发明采用的技术方案：

一种温差热电偶分段动态温差发电系统时域分析方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一，根据温差发电系统材料的基本物理特性，热力学和电学基本定律，导出由d对分b段半导体温差电偶构成的温差热电偶分段的动态温差发电系统热路和电路的数学模型：

热路中各个区域的数学模型为