[发明专利]一种温差发电片等效热导率的计算方法

说明书

本发明公开一种温差发电片等效热导率的计算方法，相比传统的实验测量方法，本发明能够根据现有参数直接计算得到温差发电片的热导率，简单方便，且精度较高。温差发电片由半导体PN结、连接PN结间的铜导电片和两端的陶瓷板构成；其中，PN结、铜导电片和陶瓷板的几何参数、热导率已知，基于这些已知参数，分别计算各结构的导热热阻，并计算结构间的蔓延热阻，由热阻理论可知，当温差发电片的热端将热量传递至冷端时，热流可以等效为电流，温差发电片的总热阻等于沿热流方向的所有热阻之和，再将温差发电片等效成一个整体，计算其导热热阻，由所有结构热阻之和等于等效热阻，最终计算得到温差发电片整体的热导率。

技术领域

本发明属于温差发电、热电转化领域，具体涉及一种温差发电片等效热导率的计算方法。

背景技术

中国是一个能源消费大国，也是一个化石燃料尾气排放大国，近年来，二氧化碳的排放已经严重影响了空气环境，各大城市频现雾霾现象。因此，国家不断出台各项政策要求降低二氧化碳排放量，其中，5年内单位国内生产总值二氧化碳排放降低量的年增长率要控制在18％左右。

温差发电，即热电转换是一种基于塞贝克效应而发展起来的新型能源回收技术，与光伏发电原理类似，它是利用半导体的载流子定向移动形成电流。近年来，随着热电材料的不断突破，温差发电技术开始应用于商业场景，如汽车尾气废热回收、工业废热回收以及航空航天领域等。而温差发电片作为热电回收技术的核心发电单元，充当着电源的作用，其性能的好坏直接影响着热电转换效率的高低。温差发电片主要由热电材料制成的半导体PN结、连接PN结之间的铜导电片和两端的陶瓷板三种结构组成。由于温差发电片的多层结构，且不同结构间的材料都不同，其整体的热导率难以确定，在工程中，常通过实验测量的方法来获得其热导率，然而，实验测量的数据容易受到仪器和人工操作的干扰，带有一定的误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温差发电片的等效热导率计算方法，该方法基于热阻理论，充分考虑了各结构导热热阻和结构间的接触热阻的影响，理论计算得到温差发电片的等效热导率，且计算结果精度较高。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种温差发电片等效热导率的计算方法，首先确定温差发电片参数，计算各结构的导热热阻，然后确定陶瓷板外部内阻，计算结构间的收缩热阻和蔓延热阻，接着计算温差发电片的总热阻和温差发电片的等效横截面积A_m，最后计算得到温差发电片的等效热导率λ_tem。

进一步，所述各结构包括陶瓷板、铜导电片和PN结，所述温差发电片参数包括PN结、铜导电片、陶瓷板的几何参数和热导率，所述几何参数包括厚度和横截面积。

进一步，所述各结构的导热热阻的计算方法为：陶瓷板的导热热阻其中δ_ce为陶瓷板的厚度，λ_ce为陶瓷板的导热率，A_ce为陶瓷板的横截面积；铜导电片的导热热阻/其中δ_co为铜导电片的厚度，N_co为上铜导电片或下铜导电片的数量，λ_co为铜导电片的导热率，A_co为单个铜导电片的横截面积；PN结的导热热阻/其中δ_leg为P极或N极半导体的厚度，N_leg为P极和N极半导体的数量之和，λ_P为P极的导热率，λ_N为N极的导热率，A_leg为单个P极或N极半导体的横截面积。

进一步，所述陶瓷板外部热阻包括上陶瓷板外部热阻R_c和下陶瓷板外部热阻R_h，其中δ_c是与上陶瓷板相接触的散热器底板厚度，λ_c为散热器底板的热导率，A_c为散热器底板的横截面积，δ_h是与下陶瓷板相接触的换热器底板厚度，λ_h为换热器底板的热导率，A_h为换热器底板的横截面积。