[发明专利]环状热电发电器件发电装置和提高环状热电发电器件性能的方法

权利要求书

1.一种环状热电发电器件发电装置，其特征在于：所述环状热电发电器件发电装置包括：发电系统、聚热系统、冷却散热系统、导线、负载电阻、圆筒；

发电系统位于圆筒内的内壁；聚热系统位于圆筒内；冷却散热系统位于圆筒外；负载电阻通过导线连接在发电系统上；圆筒内是交叉分布排列的翅片，翅片粘接到圆筒上。

2.根据权利要求1所述的环状热电发电器件发电装置，其特征在于：所述发电系统包括冷端、热端、若干个p型热电元、若干个n型热电元；热端固定粘接到圆筒上，一对p型热电元和n型热电元粘接到一个热端上，冷端覆盖一对热电元，冷端外侧粘接冷却散热系统。

3.根据权利要求1所述的环状热电发电器件发电装置，其特征在于：所述聚热系统包括：固定翅片的翅片管、安装在翅片管内的沿流体流动方向交叉排列的翅片。

4.根据权利要求1所述的环状热电发电器件发电装置，其特征在于：所述冷却散热系统包括：冷流体管，冷流体管内充满有冷流体，冷流体管上设置有冷流入口。

5.根据权利要求1所述的环状热电发电器件发电装置，其特征在于：环状热电发电器件发电装置还包括连接结构：连接结构将若干个环状热电发电器件发电装置连接起来，连接结构采用轨道加上纽扣的连接方式将多个环状热电发电器件发电装置连接起来。

6.一种利用权利要求1-5中的发电装置提高环状热电发电器件性能的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤(1)：根据权利要求1-5中的结构安装环状热电发电器件发电装置；

包括不含翅片的热电发电系统和含有翅片的热电发电系统；

步骤(2)：对于两种环状热电发电系统，当热气体的温度T_in和入口流速V_in从入口进入热电发电系统，热量Q_in被热交换器吸收；假设热交换器和热电发电器件热端之间无接触热阻，这在理想的光滑表面条件下是可接受的，不会影响我们的主要结论；在此假设下，热交换器吸收的所有热量可以传输到TEG的热端；

在两种热电发电系统中，由于没有额外的冷却部件，所以冷端均采用自然对流换热条件，其对流换热系数为力；

同时，假设暴露在环境中的其他区域采用了保温材料进行保温，为理想绝热情况；在此条件下，热端吸收的热量的一部分由热电发电器件的冷端释放到环境中，另一部分在负载电阻为R_L的闭合电路中通过塞贝克效应转换为电流为I的电流；为了保证TEG的最大输出功率，外部负载R_L始终与热电系统内部电阻相等；

步骤(3)：考虑到进口气体的高温和高雷诺数，将换热器内的流动视为湍流；应用标准κ-ε函数获得流体的湍流动能和能量耗散；然后将动能和能量耗散代入NK传热模型中，得到换热器的温度分布；在得到了换热器的温度分布后，热电模块的热端温度即可得到，并将其作为TEG模块的边界条件代入后续计算；根据热流的稳态控制方程、电荷控制方程和热电耦合方程，得到热电耦合方程的最终表达式为：

式中α、T、J、σ和分别表示塞贝克系数、绝对温度、单位体积发热率、电流密度矢量、电导率和电势；在推导过程中；忽略了所有表面的热辐射；应用基于ANSYS的热电模块有限元法求解式(1)得到了TEG热端吸收的热能Q_in和产生的电流I，并通过计算得到了输出功率P_out和热电转换效率η

P_out＝I²R_L， (2)

η＝P_out/Q_in； (3)

步骤(4)：无翅片和有翅片热电发电系统的性能随着入口流体的温度和流速变化的性质；在计算中，基于实际情况，入口温度设为400K至600K之间，入口流速取为1m/s至9m/s之间，冷端温度固定为300K的室温；热电发电系统冷端的对流换热系数设为20W/m²，管道的外壁面对流换热系数设为0.1W/m²，忽略接触电阻和接触热阻；热电材料采用是p型和n型碲化铋，其热导率，Seebeck系数和电阻率都采用实验数据，对温度有很强的依赖性；

在温度固定的情况下，有翅片和无翅片的输出功率P_out均随入口流速V_in的增大而增大；因为进口流速的增加导致通过换热器的热流增加；随入口流速的增加，有翅片的输出功率P_out始终大于无翅片的输出功率P_out；随着入口流速V_in的增加，有翅片的输出功率P_out比无翅片的输出功率大的更多。