CN109360119A - 一种变引脚横截面积的温差发电片及其横截面积的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变引脚横截面积的温差发电片，相比传统的温差发电片，其半导体PN结引脚的横截面积沿着热流体流动方向不断增加，当温差发电片用于高温尾气热能回收领域时，随着尾气的向下流动，其温度会下降，影响温差发电片下行方向的PN结引脚的输出，造成下行方向引脚的输出电流低于上行方向引脚的输出电流，又由于PN结引脚之间全部串联，使得温差发电片整体的输出电流受限于其中最小的一个PN结引脚输出电流。本发明通过增加热流体下行方向PN结引脚的横截面积以提高其输出电流，从而提高温差发电片整体的输出电流。同时，基于传热学理论，提供一种温差发电片引脚横截面积的确定方法，用于精确计算每一列PN结引脚的横截面积。

Description

一种变引脚横截面积的温差发电片及其横截面积的确定方法

技术领域

本发明属于温差发电、热电转化、尾气能量回收领域，具体涉及一种变引脚横截面积的温差发电片及其横截面积的确定方法。

背景技术

近年来，能源危机、环境污染等问题不断加剧，造成这些问题的主要原因是化石燃料的燃烧，如汽车、船舶、航空航天等领域的发动机燃料燃烧。而发动机的热效率往往在40％以下，燃料燃烧的能量很大一部分随着尾气以热能的形式浪费掉。温差发电技术是一种基于塞贝克效应发展起来的热能回收技术，它能将热能直接转化为电能。

温差发电片是热电转化的核心部件，它由PN结引脚、铜电极、陶瓷板三部分组成，其中，PN结引脚间用铜电极相互串联连接，并夹在上下两块陶瓷板之间。然而，温差发电片的转化效率低仍然是制约温差发电技术大规模商用的主要因素。因此，高效率的PN结引脚热电材料和高性能的温差发电片结构是目前热电回收领域发展的两大方向。有不少学者为了提高PN结引脚的输出，提出许多新型结构，如六角状PN结、分段式PN结、金字塔型PN结等，然而，这些结构优化方法往往结构复杂、制备难度大、难以商用。当温差发电片用于回收高温尾气中的热能时，随着尾气的向下流动，其温度会有所下降，造成温差发电片下行方向的PN结引脚输出电流低于上行方向的PN结引脚输出电流，而PN结引脚间全部串联，会使得温差发电片的整体输出电流受制于其中最小的PN结输出电流。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变引脚横截面积的温差发电片，用来克服温差发电片整体输出电流会受限于最小PN结输出电流的影响，提升温差发电片的整体输出，还提供一种变引脚横截面积温差发电片的引脚横截面积的确定方法，沿尾气流动方向增加PN结引脚的横截面积，提升下行方向的PN结引脚输出电流。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种变引脚横截面积的温差发电片，包括陶瓷板、沿尾气流动方向横截面积不断增加的PN结引脚和铜电极，所述PN结引脚由铜电极相互串联连接后，夹在上、下两端陶瓷板中间；所述PN结引脚沿着尾气流动方向分别为第1列，第2列，…第n列，其中，每一列PN结引脚的宽度w₃、高度H₃保持不变，第i列PN结引脚的长度为L_i，其满足关系：L_i+1-L_i＝Δl、L_i＝L₁+(i-1)Δl，即PN结引脚长度按公差为Δl的等差数列增加；第i列 PN结引脚的横截面积为S_i，S_i＝w₃×L_i；所述陶瓷板的高度为H₁，陶瓷板的总宽度、总长度均为每一列铜电极的宽度w₃、高度H₂保持不变，第i列铜电极的长度lc_i满足： lc_i＝2L_i+l_i；第一列PN结引脚之间的间距为l₀，第i列PN结引脚之间的间距为l_i，且 l_i＝l₀-(i-1)×Δl，l_i＞0。

一种变引脚横截面积温差发电片的引脚横截面积的确定方法，确定第i列PN结引脚的热端温度、冷端温度；当i＝1时，L₁已知，可计算得到第一列PN结引脚的横截面积S₁，由PN结引脚热端温度、冷端温度，计算第1列PN结引脚的输出电流I₁；当i＝2时，规定 I₂＝I₁，计算第2列PN结引脚的长度L₂，可得PN结引脚长度公差Δl，从而计算得到第i 列PN结引脚的横截面积S_i。

进一步，计算第i列PN结引脚的热端温度的具体过程为：

计算热端换热器的内壁面温度T_1,i：其中C_h为热流体的比热容，为热流体的质量流量，Th_i为第i列的热流体入口温度、Th_i+1为第i+1列的热流体入口温度，h₁为热流体的对流换热系数，A₁为热流体与热端换热器的内壁面接触面积，为第i列的热流体平均温度，且

计算PN结引脚的热端温度T_4,i；

热端热流密度q₁为：根据热流密度相等，即：

其中，λ_h为热端换热器材料的热导率，δ_h热端换热器底板的厚度，T_2,i为陶瓷板和热端换热器的接触面温度，λ_ce为陶瓷板的材料热导率，T_3,i为铜电极和陶瓷板的接触面温度，H₁为陶瓷板的高度，λ_co为铜电极的材料热导率，H₂为铜电极的高度；

则PN结引脚的热端温度

进一步，计算第i列PN结引脚的冷端温度的具体过程为：

计算冷端散热器的内壁面温度T_8,i：其中C_c为冷流体的比热容，为冷流体的质量流量，Tc_i为第i列的冷流体入口温度、Tc_i+1为第i+1列的冷流体入口温度，h₂为冷流体的对流换热系数，A₂为冷流体与冷端散热器的内壁面接触面积，为第i列的冷流体平均温度，且

计算PN结引脚的冷端温度T_5,i；

冷端热流密度q₂为：根据热流密度相等，即：

其中，λ_c为冷端散热器材料的热导率，δ_c冷端散热器底板的厚度，T_7,i为陶瓷板和冷端散热器的接触面温度，T_6,i为冷端铜电极和陶瓷板的接触面温度；

则PN结引脚的冷端温度

更进一步，计算第i列PN结引脚输出电流的具体过程为：

计算第i列的PN结引脚输出电压U_i：U_i＝m(α_P-α_N)×(T_4,i-T_5,i)，式中m为每一列 PN结引脚包含的PN结个数，α_P为P极的塞贝克系数，α_N为N极的塞贝克系数；

计算第i列的PN结引脚内阻R_i：式中ρ_P为P极的电阻率，ρ_N为N极的电阻率，H₃为PN结引脚的高度；

则第i列的PN结输出电流I_i：

更进一步，计算计算PN结引脚长度公差Δl具体过程为：

当i＝1时，L₁已知，即S₁＝w₃×L₁，据此计算第1列PN结引脚的输出电流：

当i＝2时，I₂＝I₁，求得L₂：

则PN结引脚长度公差Δl，

本发明的有益效果为：

本发明提供一种变引脚横截面积的温差发电片，将PN结引脚沿着尾气流动方向按等差数列均匀增加其横截面积，提升温差发电片中下行方向的PN结引脚输出电流，并提供其横截面积的确定方法，使得温差发电片的整体输出电流不再受限于其中最小的PN结输出电流，能够大幅提升温差发电片的性能。

附图说明

图1为变引脚横截面积的温差发电片的结构示意图；

图2为变引脚横截面积的温差发电片去掉上端陶瓷板的俯视图；

图3为变引脚横截面积的温差发电片去掉上端陶瓷板和上端铜电极的俯视图；

图4为第i列和第i+1列PN结引脚结构示意图；

图5为引脚横截面积确定方法的计算原理图。

具体实施方式

下面结合具体的变引脚横截面积的温差发电片，来说明本发明的技术方案。

如图1所示，一种变引脚横截面积的温差发电片包括陶瓷板、沿尾气流动方向横截面积不断增加的PN结引脚和铜电极；所述PN结引脚由铜电极相互串联连接，夹在上下两端陶瓷板中间；所述PN结引脚沿着尾气流动方向分别为第1列，第2列，…第n列，本实施例n＝8，其中，每一列PN结引脚的宽度w₃、高度H₃保持不变，第i列PN结引脚的长度为L_i，其满足关系：L_i+1-L_i＝Δl，即PN结引脚长度按公差为Δl的等差数列增加；第i 列PN结引脚的横截面积为S_i，即：

S_i＝w₃×L_i (1)

陶瓷板的高度为H₁，陶瓷板的总宽度(等于陶瓷板的总长度w₂)为4w₁；第一列PN 结引脚之间的间距为l₀，第i列PN引脚之间的间距为l_i，其满足关系：l_i＝l₀-(i-1)×Δl，且l_i＞0；每一列铜电极的宽度w₃(等于PN结引脚的宽度)、高度H₂保持不变，第i列铜电极的长度lc_i满足关系：

lc_i＝2L_i+l_i (2)

如图5所示，第i列的热流体入口温度为Th_i、第i+1列的热流体入口温度Th_i+1(等于第i列的热流体出口温度)，第i列的热流体平均温度为第i列的冷流体入口温度为Tc_i、第i+1列的冷流体入口温度为Tc_i+1(等于第i列的冷流体出口温度)，第i列的冷流体平均温度为热端换热器的内壁面温度为T_1,i，陶瓷板和热端换热器的接触面温度为T_2,i，热端铜电极和陶瓷板的接触面温度为T_3,i，PN结引脚的热端温度为T_4,i，PN结引脚的冷端温度为T_5,i，冷端铜电极和陶瓷板的接触面温度为T_6,i，陶瓷板和冷端散热器的接触面温度为T_7,i，冷端散热器的内壁面温度为T_8,i。

实施步骤如下：

本发明实现的前提是：(1)忽略热端换热器、冷端换热器与温差发电片间的接触热阻； (2)第i(i＝1,2,……，8)列的热流体入口温度Th_i、第i列的热流体出口温度Th_i和第i列冷流体的入口温度Tc_i、第i列冷流体出口温度Tc_i+1已知；(3)热流体的质量流量比热容C_h和对流换热系数h₁，以及冷流体的质量流量比热容C_c和对流换热系数h₂均为已知。

步骤1，计算第i列PN结引脚的热端温度；

(1)计算热端换热器的内壁面温度T_1,i；

式中，A₁为热流体与热端换热器的内壁面接触面积；

(2)根据热量从热流体传递至PN结引脚时热流密度相等，计算PN结引脚的热端温度T_4,i；

所述热流密度q₁为：

根据热流密度相等，即：

式中，λ_h为热端换热器材料的热导率，δ_h热端换热器底板的厚度，λ_ce为陶瓷板的材料热导率，λ_co为铜电极的材料热导率；

因此，由公式(4)、(5)可计算得到第i列PN结引脚的热端温度T_4,i，即：

步骤2，计算第i列PN结引脚的冷端温度：

(1)计算冷端散热器的内壁面温度T_8，i；

式中，A₂为冷流体与冷端散热器的内壁面接触面积；

(2)根据热量从PN结引脚传递至冷流体时热流密度相等，计算PN结引脚的冷端温度T_5,i；

所述热流密度q₂为：

根据热流密度相等，即：

式中，λ_c为冷端散热器材料的热导率，δ_c为冷端散热器底板的厚度；

因此，由公式(7)、(8)、(9)可计算得到第i列PN结引脚的冷端温度T_5,i，即：

步骤3，根据步骤1所得PN结引脚热端温度T_4,i、步骤2所得PN结引脚冷端温度T_5,i，计算第i列的PN结引脚输出电流；

(1)计算第i列的PN结引脚输出电压U_i；

U_i＝m(α_P-α_N)×(T_4,i-T_5,i) (11)

式中，m为每一列PN结引脚包含的PN结个数，α_P为P极的塞贝克系数，α_N为N极的塞贝克系数；

(2)计算第i列的PN结引脚内阻R_i；

式中，ρ_P为P极的电阻率，ρ_N为N极的电阻率，H₃为PN结引脚的高度；

(3)计算第i列的PN结输出电流I_i：

步骤4，根据步骤3所得的第i列PN结引脚输出电流，计算第1列PN结引脚输出电流I₁和第2列PN结引脚输出电流I₂，并规定I₂＝I₁，据此计算PN结引脚长度公差Δl；

(1)当i＝1时，L₁已知，即S₁＝w₃×L₁已知，据此计算第1列PN结引脚的输出电流；

(2)当i＝2时，I₂＝I₁，求得L₂；

(3)计算得到PN结引脚长度公差Δl：

步骤5，根据步骤4所得的PN结引脚长度公差Δl，据此计算第i列PN结引脚的长度L_i和第i列PN结引脚的横截面积S_i：

L_i＝L₁+(i-1)Δl (17)

S_i＝w₃[L₁+(i-1)Δl] (18)

本实例采用较常见的温差发电片尺寸，其陶瓷板尺寸为40mm*40mm(长*宽)，即 w₁＝10mm，w₂＝40mm，PN结引脚共有8列，且每一列有8个PN结热电偶(即4个PN结，第一列和最后一列由于要预留一个正负极接口，其热电偶数目仅为7个)PN结热电偶的塞贝克系数、电阻率等参数如表1所示。

表1 PN结引脚塞贝克系数及电阻率

一些尺寸参数，如陶瓷板高度、引脚高度、铜电极片的高度、热端换热器的厚度δ_h、冷端换热器的厚度δ_c以及冷流体(高温尾气)、热流体(冷却水)的相关参数如表2所示。

表2温差发电片已知参数以及冷热端相关参数

假设热流体第1列入口温度为771K，即Th₁＝771，从第i列流动到第i+1列温度下降0.5K，即Th_i-Th_i+1＝0.5，冷流体第1列入口温度为365K，即Tc₁＝365，从第i列流动到第 i+1列温度升高0.1K，即Tc_i+1-Tc_i＝0.1。

由上述已知参数计算得到各参数如表3所示。

表3根据参数计算所得数据

故PN结引脚的长度公差Δl为0.02mm，第i(i＝1,2，……，8)列PN结引脚的长度为L_i＝3+0.02(i-1)，第i列PN结引脚的横截面积为S_i＝3[3+0.02(i-1)]。

经计算，min(l_i)＝l₈＝1.86＞0，本实例所设计的一种变引脚横截面积的温差发电片符合要求。

以上依据本发明的技术方案详细描述了具体实施方式。根据本发明的技术方案在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，上文描述的具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

Claims (10)

1.一种变引脚横截面积的温差发电片，其特征在于，包括陶瓷板、沿尾气流动方向横截面积不断增加的PN结引脚和铜电极，所述PN结引脚由铜电极相互串联连接后，夹在上、下两端陶瓷板中间。

2.根据权利要求1所述的一种变引脚横截面积的温差发电片，其特征在于，所述PN结引脚沿着尾气流动方向分别为第1列，第2列，…第n列，其中，每一列PN结引脚的宽度w₃、高度H₃保持不变，第i列PN结引脚的长度为L_i，其满足关系：L_i+1-L_i＝Δl、L_i＝L₁+(i-1)Δl，即PN结引脚长度按公差为Δl的等差数列增加；第i列PN结引脚的横截面积为S_i，S_i＝w₃×L_i。

3.根据权利要求1所述的一种变引脚横截面积的温差发电片，其特征在于，所述陶瓷板的高度为H₁，陶瓷板的总宽度、总长度均为

4.根据权利要求2所述的一种变引脚横截面积的温差发电片，其特征在于，第一列PN结引脚之间的间距为l₀，第i列PN结引脚之间的间距为l_i，且l_i＝l₀-(i-1)×Δl，l_i＞0。

5.根据权利要求4所述的一种变引脚横截面积的温差发电片，其特征在于，每一列铜电极的宽度w₃、高度H₂保持不变，第i列铜电极的长度lc_i满足：lc_i＝2L_i+l_i。

6.一种变引脚横截面积温差发电片的引脚横截面积的确定方法，其特征在于，确定第i列PN结引脚的热端温度、冷端温度；当i＝1时，L₁已知，可计算得到第一列PN结引脚的横截面积S₁，由PN结引脚热端温度、冷端温度，计算第1列PN结引脚的输出电流I₁；当i＝2时，规定I₂＝I₁，计算第2列PN结引脚的长度L₂，可得PN结引脚长度公差Δl，从而计算得到第i列PN结引脚的横截面积S_i。

7.根据权利要求6所述的一种变引脚横截面积温差发电片的引脚横截面积的确定方法，其特征在于，计算第i列PN结引脚的热端温度的具体过程为：

计算热端换热器的内壁面温度T_1,i：其中C_h为热流体的比热容，为热流体的质量流量，Th_i为第i列的热流体入口温度、Th_i+1为第i+1列的热流体入口温度，h₁为热流体的对流换热系数，A₁为热流体与热端换热器的内壁面接触面积，为第i列的热流体平均温度，且

计算PN结引脚的热端温度T_4,i；

热端热流密度q₁为：根据热流密度相等，即：

其中，λ_h为热端换热器材料的热导率，δ_h热端换热器底板的厚度，T_2,i为陶瓷板和热端换热器的接触面温度，λ_ce为陶瓷板的材料热导率，T_3,i为铜电极和陶瓷板的接触面温度，H₁为陶瓷板的高度，λ_co为铜电极的材料热导率，H₂为铜电极的高度；

则PN结引脚的热端温度

8.根据权利要求7所述的一种变引脚横截面积温差发电片的引脚横截面积的确定方法，其特征在于，计算第i列PN结引脚的冷端温度的具体过程为：

计算冷端散热器的内壁面温度T_8,i：其中C_c为冷流体的比热容，为冷流体的质量流量，Tc_i为第i列的冷流体入口温度、Tc_i+1为第i+1列的冷流体入口温度，h₂为冷流体的对流换热系数，A₂为冷流体与冷端散热器的内壁面接触面积，为第i列的冷流体平均温度，且

计算PN结引脚的冷端温度T_5,i；

冷端热流密度q₂为：根据热流密度相等，即：

其中，λ_c为冷端散热器材料的热导率，δ_c冷端散热器底板的厚度，T_7,i为陶瓷板和冷端散热器的接触面温度，T_6,i为冷端铜电极和陶瓷板的接触面温度；

则PN结引脚的冷端温度

9.根据权利要求7或8所述的一种变引脚横截面积温差发电片的引脚横截面积的确定方法，其特征在于，计算第i列PN结引脚输出电流的具体过程为：

计算第i列的PN结引脚输出电压U_i：U_i＝m(α_P-α_N)×(T_4,i-T_5,i)，式中m为每一列PN结引脚包含的PN结个数，α_P为P极的塞贝克系数，α_N为N极的塞贝克系数；

计算第i列的PN结引脚内阻R_i：式中ρ_P为P极的电阻率，ρ_N为N极的电阻率，H₃为PN结引脚的高度；

则第i列的PN结输出电流I_i：

10.根据权利要求9所述的一种变引脚横截面积温差发电片的引脚横截面积的确定方法，其特征在于，计算计算PN结引脚长度公差Δl具体过程为：

当i＝1时，L₁已知，即S₁＝w₃×L₁，据此计算第1列PN结引脚的输出电流：

当i＝2时，I₂＝I₁，求得L₂：

则PN结引脚长度公差Δl，