PbTe/BiTe分段温差电单偶仿真设计研究

考虑温差电材料的热电性能参数随温度的变化,建立了分段温差电单偶的优化设计模型。利用商用有限元软件ANSYS分析了PbTe/BiTe分段温差电元件长度比例、元件截面积、接触电阻、冷热面温度等变化对热电转换效率的影响,并进行了敏感度分析。计算结果表明,利用分段温差电单偶能够有效提高温差电池的热电转换效率,用PbTe/BiTe材料组成的分段温差电单偶的理论热电转换效率超过10%。

一种温差电单偶热电转换效率的测试方法

提出了一种温差电单偶热电转换效率的测试方法,将测定输入温差电单偶的热流量分解为测定温差电单偶的输出电功率与测定从温差电单偶流出的热流量,并用温差电热流量计测定温差电单偶冷面流出的热流量。该测试方法避免了测量输入温差电元件的热流量,因此可以不考虑温差电元件侧面对流、辐射热损失防护问题。半导体温差电材料的塞贝克系数可以是金属的几倍,因此温差电热流量计的灵敏度高,热电转换效率的测量可以获得较高精度。给出了一些温差电单偶热电转换效率的测试结果。热面温度500℃,冷面温度50℃时,碲化铅/碲化铋级联温差电单偶的最大热电转换效率测试结果为8.45%。当冷面温度固定在50℃,作者测试了一对碲化铋温差电单偶热电转换效率随热面温度变化的规律,结果显示其热电转换效率呈近似线性增长。讨论了测试误差的来源,认为测试误差主要来源于热流量计的标定误差。

分段温差电元件的设计

由于分段温差电元件能够在较宽的温度范围内很大程度地提高热电转换效率,因此,在世界范围内受到广泛的关注。对碲化铅(PbTe)材料和碲化铋(Bi2Te3)材料组成的分段温差电元件进行了理论设计和计算。确定了在热面温度为773K、冷面温度为323K,元件总长度为15mm时,PbTe的最佳长度为8.8mm。测试结果表明:由设计的元件制作出的分段温差电单偶的热电转换效率达到了7.31%。

分段温差电元件性能的仿真研究

利用商用有限元软件ANSYS建立了带接触层的分段温差电单偶模型,不仅能考虑接触电阻,还能考虑接触热阻。该模型由n-Bi2Te3/n-PbTe,p-BiSbTe/p-Zn4Sb3组成。在电偶臂总长l=5mm时,优化温差电元件得到最大热电转换效率,并分析接触电阻和接触热阻对热电转换效率的影响,以及电臂的分界面温度。结果表明,在热端温度673K,冷端温度分别为298、323、353K时,最大转换效率为11.64%,10.70%,9.50%。当接触层厚0.1mm,接触电阻率为5×10-5Ω·m(即每电臂接触电阻为150μΩ·cm2),接触热导率为kc=6W/mK时,最大转换效率降到10.15%,9.33%,8.31%。分界面温度在材料Z-T曲线交点温度附近,大约为3%～-1%范围内。