低温半导体温差发电循环的工作性能分析.pdf

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1、第23卷第6期刘金平，等：低温半导体温差发电循环的工作性能分析·67·第23卷第6期制冷与空调Vol.23No.62009年12月RefrigerationandAirConditioningDec.2009.67～70文章编号：1671-6612（2009）06-067-04低温半导体温差发电循环的工作性能分析刘金平张永恒（兰州交通大学机电工程学院兰州730070）【摘要】通过数值分析得到了温差发电循环稳定状态的温度场分布规律，并用发电效率、火用效率和输出功率三个评价指标计算分析了一个热电模块在多种工况下的工作性能随各指标的变化规律，为以后的深

2、入研究提供很多有价值的理论依据。【关键词】温差发电；数值模拟；热电模块工作性能中图分类号TB61+9.2文献标识码ATheperformanceanalysisforsemiconductorthermoelectriccyclewhichworksatsmalltemperaturedifferenceLiuJinpingZhangYongheng(SchoolofMechatronicEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)【Abstract】Thetemperatu

3、refielddistributionofsemiconductorthermoelectricmoduleworkingontheNon-equilibriumstableconditionisobtainedbynumericalsimulation，theperformanceofthermoelectricmodulewhichworkatmultipleloadingconditionsiscomprehensiveevaluatedwithworkefficiency、energyefficiencyandoutputpower,so

4、mevaluabletheorybasisareprovided.【Keywords】semiconductorthermoelectricmodule；thetemperaturefield；theperformanceofthermoelectricmodule0引言作为评价参数综合计算分析了多种工况下热电模半导体温差发电与传统的火力发电相比，不需块的发电性能。要复杂的热力和电气系统以及连接它们的管道等设备，只要热电模块两端存在温差，就可以在其内部直接将热能转换成电能。如图1所示，实际发电材料由两层高纯度的氧化铝陶瓷片、两层铜导流片和半导体电

5、极构成，两个不同材料的半导体电极联结构成一对热电偶，n对这样的热电偶在电路上串联热路上并联便构成—个热电模块，本文就以热电模块作为分析对象，先运用热力学理论系统阐述了温差发电循环的基本原理，接着运用传热学理论，利用P型和N型电极状态相似的特点，以P型电极的特性参数为依据，建立了电偶元件稳态条件下的数学模型，并运用C++语言对一个热电模块进行数值模拟，进而以发电效率、火用效率和输出功率图1温差发电器模型作者简介：刘金平（1982-），女，在读硕士研究生。收稿日期：2009-06-11·68·制冷与空调2009年1温差发电循环的基本原理交换的帕尔贴热

6、都作为内热源处理。在经典热力学中的理想的火力发电朗肯循环半导体材料的塞贝克系数、导热系数和电导率中，低温低压0态未饱和水从高温烟气中吸热转变是随温度变化的，尤其是冷热端温差较大时，温度为高温高压的1态过热蒸汽；1态过热蒸汽经在汽对模块工作性能的影响不能忽略。以P型半导体为轮机中的运动做功从而带动发电机发电后转变为例，通常电极温度为203333−K时，三个系数随[2]低温低压的2态湿蒸气；2态湿蒸气向冷凝器放热温度的变化关系可以用如下曲线拟合得到：转变为3态饱和水，3态饱和水吸收给水泵的压缩26−（1）α()(0.003TTT=−+2.1271−1

7、68.75)10×功转变为0态低温低压的未饱和水从而实现循环。−52−3（2）kT()(410=×T−0.0592T−29.268)10×半导体温差发电循环则可认为是一种微观热机循2（3）σ()TTT=−+0.05136.7087366.5环，该热机的工质是载流子，通过它在两种不同半控制方程：导体材料中的两种状态（高能级和低能级的两种2dT()xk=0（4）相）的转换实现热量的传递和转换，对电子而言P0dx2是低能级材料而N是高能级材料，空穴则反之。式中0

8、向22dT()(())xjxP运动，即低能级的0态载流子从热端吸热转变为k12+=0（5）dxσ1高能级的1态载流子；在半导体电极中，电