[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

摘要

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。

主权项

一种温差热电偶分段动态温差发电系统时域分析方法，其特征在于：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区域I中，区域IIu中，区域III中，电路各个区域的数学模型为：区域IIu中，区域IV中，其中，温差发电系统热路分成三个区域：区域I，区域II和区域III，区域I代表热端散热器，区域II代表d对材料分b段的半导体温差热电偶，区域III代表冷端散热器；温差发电系统中电路分成两个区域：区域II和区域IV；区域II代表d对材料分b段的半导体温差热电偶，区域IV代表负载电阻RL；其中区域II中b段不同材料分别对应区域II1，II2,…IIu，即区域IIu对应区域II中第u段材料，u＝1，2，……，b；其中，ρI和ρIII分别为区域I和III物质的密度，CvI和CvIII分别为区域I和III物质的定容比热，kI和kIII分别为区域I和III物质的热导率；其中T为温度，为温度梯度；E为电场强度；ρIIu分别为区域IIu中物质的密度，CvIIu为区域IIu中物质的定容比热，εIIu为区域IIu中物质的介电常数，J为电路中的电流密度，电流J0为t＝0时刻通过电路的电流密度，αIIu，σIIu，kIIu，分别为区域IIu中物质的总等效塞贝克系数，总等效电导率，总等效热导率；其中αIIu＝d*(αPu‑αNu)，kII＝d*(kPu+kNu)；αPu，σPu，kPu，分别为区域IIu中P型半导体材料的塞贝克系数，电导率和热导率，αNu，σNu，kNu，分别为区域IIu中N型半导体材料的塞贝克系数，电导率和热导率；σIV为负载电阻的电导率；步骤二，根据实际工况条件确定温差热电偶分段的动态温差发电系统热路和电路的边界条件；热路中的边界条件为：边界A:根据热源提供能量的形式，热端等效为热流密度为q0；边界B:通过边界处的热流密度为连续的，温度为连续的；边界Pu:通过边界处的热流密度为连续的，温度为连续的；边界C:通过边界处的热流密度为连续的，温度为连续的；边界D：根据冷源端散热的形式，冷端等效为温度为Tl0；电路中的边界条件为：边界M:通过边界处的电流密度为连续的，电场强度是连续的；边界Pu:通过边界处的电流密度为连续的，电场强度为连续的；边界N:通过边界处的电流密度为连续的，电场强度是连续的；其中热路中区域I和热源的交界为边界A，区域I和区域II的交界为边界B，区域IIu和II(u+1)的交界为边界Pu；区域II和区域III的交界为边界C，区域III和冷源的交界为边界D；其中电路中区域II在热源端和区域IV的交界为边界M，区域IIu和区域II(u+1)的交界为边界Pu；区域II在冷源端和区域IV的交界为边界N；取u＝1，2，……，b‑1；步骤三,对区域I，区域II，区域III，区域IV进行时间离散化处理，确定区域中的时间节点，对区域I，区域II，区域III进行一维空间离散化处理，确定区域的空间节点；步骤四，确定t＝0时刻每个节点的物理量的迭代初始值；步骤五，对数学模型进行离散化处理，建立区域内部节点和边界节点物理量的代数方程；步骤六，从迭代初始值出发，根据步骤五所建立的节点物理量的代数方程，进行迭代求解，得出温差热电偶分段的动态温差发电系统中各个节点的温度和电场强度的数值解。