热电发电器件能量转换效率测量

热电器件可以实现热能和电能的直接转换,在废热回收和固态制冷领域具有重要的研究价值,对热电发电器件的能量转换效率进行精确测量是评价热电材料和器件性能的重要基础。针对测量过程中存在测量参数多、误差来源广等问题,本文从测量原理出发,通过公式推导和合理赋值对影响能量转换效率测量的因素进行详细分析,指出提高器件输出功率和冷端流出热流值的测量精度对于获取准确的转换效率必不可少。其中,器件输出功率的测量结果主要受界面接触电阻的影响,冷端流出热流值的准确获取则需要选择合适的参比试样。此外,当热端温度较高时,还需要考虑热辐射的影响。最后,简要总结了近年来高能量转换效率热电发电器件的研究进展和面临的挑战。     

通过强化热端吸热优化环状热电发电器件性能

热电发电器可以将热能直接转换为电能,被广泛应用于余热利用领域。针对环状热源,环状热电发电系统(ATE)具有更好的兼容性。然而,目前ATE输出功率和转换效率仍然比较低。影响其性能的主要原因之一是热端吸热较差。针对环状热电发电热端结构进行了优化设计,利用翅片强化热端吸热。运用标准的κ-ε方程和NK传热模型描述流体传热、耦合热电方程描述热电发电器件性质;利用ANSYS软件基于有限元法求解耦合的流体-ATE系统的性能。研究了有翅片和无翅片ATE热电输出功率和转换效率随入口处流体温度和流速变化的性质。结果表明,ATE在有翅片的情况下转换效率和输出功率均高于无翅片系统。特别在流速9 m/s和温度600 K条件下,有翅片ATE的输出功率和转换效率分别比无翅片系统高299%和6.02%。提出可行的提高ATE性能的方法,有益于热电发电器件在余热利用领域更广泛的应用。     

接触热阻对相变耦合温差发电系统的影响

在汽车尾气温差发电系统中, 热量在传递的过程中通常要经过若干个接触界面。而界面间的接触热阻影响 着热量的传递效率和热电器件冷热两侧的实际温差, 进而影响到系统的发电性能。利用工业热风机模拟汽车运行实 际工况, 使用装载有相变材料(phase change material, PCM) 的温差发电系统, 通过涂抹不同导热系数的导热硅脂来 调节热电器件与系统间的接触热阻, 研究了接触热阻对PCM 以及系统输出电压的影响。研究发现, 同时减小热电 器件两侧与系统间的接触热阻会削弱PCM 的储热能力; 相较于减小热电器件热面与系统间的接触热阻, 减小热电 器件冷面与冷端换热器间接触热阻, 对温差发电系统输出电压的提升效果更为显著。     

嵌入式相变材料对热电发电器件性能的影响

热电器件(thermoelectric generator, TEG)能够直接将热能转化为电能,且具有体积小,无运动部件,寿命高,运行成本低等优点。相变材料(phase change material, PCM)在相变时能够恒温吸收、释放大量热量,因此被广泛应用于热电发电领域以稳定热端温度。设计了一种嵌入式的相变-热电(PCM-TEG)系统,探究了热源停止供热后的一段时间内,相同体积不同长度的PCM对TEG发电性能的影响。结果表明,被PCM包裹的长度与总长度的比值为40%时, PCM-TEG系统产生的电能最多,与不使用PCM相比,热电发电器件的输出电能增加了76.06%。PCM的使用能够提高热电发电系统对热能的利用率,且在使用的PCM的体积一定时,需要优化PCM包裹热电臂的长度以提升热电发电器件的输出热能。     

热电发电器件的输出功率和效率的解析模型

建立了热电发电器件工作的一维模型,应用热力学理论分析了发电器件的输出功率和效率,并重点讨论了元器件热导及热端板、冷端板与元器件间的接触层热导对输出功率和效率的影响.结果表明,热电发电器件的输出功率和效率随热端接触层热导和冷端接触层热导的增加而增加,但增加的幅度越来越小;随元器件热导的减小而增加,且增加的幅度越来越大.所得结论对发电器的设计具有重要的指导意义.     

单臂热电元件的电性能测试方法比较研究

在模拟工况下研究了小功率单臂热电元件的电性能测试方法,分别采用改进恒流源法、伏安法和标准电阻法对N型Ca0.9Ce0.1MnO3单臂热电元件进行了测试分析。结果表明:当温差较小时,改进恒流源法能够精确测量热电元件的性能;伏安法适合较大输出功率的测试场合;标准电阻法的适用范围较广,几乎不受元件输出功率限制且具有较高的测试精度和测试效率,可用于商业测试。     

DM制丁类放大器的工作效率与转换效率

分析了DM制丁类放大器的工作效率、输出功率和转换效率,并讨论了提高其输出功率和转换效率的方法．得到如下结论：①CDA双管输出功率为单管的4倍;②CDA双管输出电路工作效率可大于90％、最大的转换效率可达55．2％;③提高CDA双管输出电路电源电压可以提高其工作效率,增大音频信号输出功率,增大开关管能给出的最大输出功率．     

新型热电材料综述

热电材料能够实现热能和电能之间的相互转化,利用温度差进行发电是一种潜在的能源利用的方法,另外利用电学对热量的转化,可以进行温度的精确控制,在传感器和集成电路中有着广阔的应用前景。该文综述了近年来几类热电材料的种类、发展历程和研究现状,包括碲化物、硫族层状化合物、氧化物、笼合物,Half-Heusler材料,方钴矿材料、Zintl相热电材料以及铜硫族类材料。另外,对热电材料的应用做了一些归纳总结,希望能扩展热电器件的应用,实现未来的规模产业化。     

热电偶臂构型尺寸对环形热电发电器性能的影响

基于一维稳态热传导理论提出环形热电发电器(ATEG)的数学物理模型,考虑P型和N型热电偶臂的构型尺寸、材料热电性质不对称性以及界面接触阻力对其输出性能的影响. 针对理想的环形热电发电器,基于最大能量转换效率原则建立P型和N型热电偶臂构型尺寸与材料性质间的最优定量关系. 考虑界面接触热阻和界面接触电阻效应的影响,给出相对于精确解更方便实用的电流线性简化解,确定环形热电发电器最大输出功率、最大能量转换效率对应的P型、N型热电偶臂圆周角度比. 发现界面接触对小尺寸器件的热电偶臂圆周角度比影响显著,但随着器件构型尺寸的增大,比值逐渐趋近于理想器件的结果.当器件尺寸参数s_r>2时,可以基于理想模型指导环形热电发电器的设计计算.     

热电材料研究的现状与发展趋势

热电材料作为以废热和太阳能为热源的发电技术的关键,受到世界各国的高度关注。近年来,随着纳米材料制备技术的不断进步和对纳米尺度下电子、声子输运机制研究的不断深入,热电材料的研究取得了很大突破。本文简要介绍了热电发电技术的能量转换原理,综述了热电材料在原子尺度、纳米尺度和微米尺度下的研究进展,指出从增加简并能带数、调控有序结构、形成共振能级等方面提高功率因子是热电材料研究未来发展的趋势。     

热电发电机换热面积最优分配

考虑实际多热电单元发电机,在总传热面积一定的条件下,研究最优功率、效率时传热面积的最优分配,并分析了各种参数对最优性能的影响, 所得结果对实际热电发电机性能分析与优化有一定的指导作用。     

温差对CaMnO3和Ca3Co4O9热电器件输出功率的影响

在低温端散热条件不变的情况下,在较宽的测试温度范围内分别测试了CaMnO3(n-type)和Ca3Co4O9(p-type)单臂热电器件的输出功率,实验结果显示其最大输出功率与温差的平方有较好的线性关系。通过进一步的分析表明,其比例系数正比于Seebeck系数的加权平均值(加权函数为温度梯度函数)的平方与电阻率的平均值之比,是热导率、电导率和Seebeck系数等热电材料性能参数的综合表现,能够方便地测量,可在较宽的温度范围内近似地表征热电材料或器件的性能。     

温差对CaMnO_3和Ca_3Co_4O_9热电器件输出功率的影响

在低温端散热条件不变的情况下,在较宽的测试温度范围内分别测试了CaMnO3（n-type）和Ca3Co4O9（p-type）单臂热电器件的输出功率,实验结果显示其最大输出功率与温差的平方有较好的线性关系。通过进一步的分析表明,其比例系数正比于Seebeck系数的加权平均值（加权函数为温度梯度函数）的平方与电阻率的平均值之比,是热导率、电导率和Seebeck系数等热电材料性能参数的综合表现,能够方便地测量,可在较宽的温度范围内近似地表征热电材料或器件的性能。     

Analyses of thermodynamic performance for the endoreversible Otto cycle with the concepts of entropy generation and entransy

In this paper,power the the and endoreversible the Otto cycle is analyzed with the entropy generation minimization objectives,and the the entransy theory.of The output power,the heat-work conversion efficiency are taken as the optimization rate,and relationships the output heat-work conversion efficiency,entransy the entropy generation and the entropy generation rate numbers,the work entransy are loss rate,The entransy loss of coefficient,the dissipation rate the entransy variation associated with discussed.applicability entropy the entropy generation minimization and the entransy theory while to the analyses is also analyzed.It is found do that smaller generation rate does not always lead to larger output our power,smaller entropy entransy generation loss numbers and not always lead to larger heat-work conversion efficiency,either.larger the In calculations,power,both larger larger rate larger entransy variation heat-work rate associated with work correspond also to that output while entransy is loss coefficient suitable results the in larger conversion developed efficiency.It is found concept of entransy dissipation not always for analyses because it was for heat transfer.     

镍泡沫定型相变材料制备与性能研究

聚光光伏热电耦合系统(CPV-TE) 通过聚光增大光照强度, 提升热电模块两侧的温差进而提高热电效率, 但聚光同时也带来光伏电池温度过高等问题。提高冷端换热能力是降低光伏温度, 提升热电冷热端温差的有效手段。研究了不同光强下, 冷端冷却温度、冷却水流速以及不同冷却介质对CPV-TE 的影响。研究发现降低冷却水温度 和提高介质流速, 不仅降低光伏电池温度、提高光电转化效率, 而且增大热电模块两侧的温差提高热电效率。采用MWCNT- 水纳米流体作为换热介质, 可以进一步提升冷却效果进而提高系统整体输出。     

冷端冷却方式对聚光光伏热电耦合系统的影响

聚光光伏热电耦合系统(CPV-TE)通过聚光增大光照强度,提升热电模块两侧的温差进而提高热电效率,但聚光同时也带来光伏电池温度过高等问题.提高冷端换热能力是降低光伏温度,提升热电冷热端温差的有效手段.研究了不同光强下,冷端冷却温度、冷却水流速以及不同冷却介质对CPV-TE的影响.研究发现降低冷却水温度和提高介质流速,不...     

Study on the performance of TEG with heat transfer enhancement using graphene-water nanofluid for a TEG cooling system

Improvement of the heat transfer effect of cold side of a thermoelectric generator(TEG) is one of the approaches to enhance the performance of the TEG systems.As a new type of heat transfer media,nanofluids can enhance the heat transfer performance of working liquid significantly.In this study,the performance of a commercial TEG with graphene-water(GW) nanofluid as coolants in a minichannel heat exchanger is investigated experimentally at low temperatures.The results show that the output power of TEG increases with the flow rate under 950 mL/min.However,the fluid flow rate has no influence on the output power of TEG with higher flow rate(larger than 950 mL/min) when the heat transfer dynamic balance state of the system is reached.The optimal concentration and flow rate of nanofluid are 0.1 wt%and 950 mL/min,respectively.At the optimal conditions,the improved voltage,output power and conversion efficiency with GW nanofluid applied in the cooling system are increased by11.29%,21.55%and 3.5%in comparison with those with only water applied,respectively.     

驱热力过程理论模型的热力学分析

为研究双热源联合循环的热力性能极限,构建了两介质热功转换系统理想热力学模型,并提出了驱热力过程的基本概念。通过分析热机循环区间与热泵循环区间过程功量之间的关系,对驱热力过程进行分类,并通过输出功量占比进行定量分析。构建并求解了顺流型和逆流型驱热力过程函数。分析了不同类型驱热力过程在理想条件下的热力特性与性能极限。研究结果表明:顺流型驱热力过程的最大过程功量大于逆流型,且放热介质与吸热介质间的温度交叉现象更为明显。吸热介质等效温升可用于判断驱热力过程类型,其最大值表征了输出功量极限。实际系统的评价研究指出,串联型联合循环的总换热量是基本型ORC的1.97倍,更适用于同时具有热电需求的场合。但其净输出功效率（6.55%）、效率（26.61%）、热力完善度（36.38%）均显著低于基本型有机朗肯循环。双热源联合循环实际系统的热力性能提高方法值得研究。本研究可为不同类型两介质热功转换系统的热力性能极限与评价提供理论指导。