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在增加电负载电阻条件下，热电液体 - 液体发生器的峰值功率输出的实验分析
摘要
碲化铋Bi 2 Te 3半导体模块的热电发电近期进展已经显示出有可能将大量低温工业废热转化为电力的潜力。为了使过程更具成本效益，需要更多地了解外部影响对模块功率输出的影响。这样的理解将有助于设计用于利用可用废热的热电发电机。为此，对热电液体 - 液体发生器的最大可调节的操作参数进行实验研究，即电气负载电阻。建立了一种测试台设备，通过注射和逆流热冷液体所带来的热量，在市售的Bi 2 Te 3热电模块上施加温度梯度。通过对热输入条件变化的实验测量结果的分析来研究相对于增加的电负载的热电发电量。结果通过识别用于峰值热电生产的最佳电负载电阻，在增加的电负载电阻下详细描述了热电液体液体发生器的热电特性。提出了峰值热电功率和热输入条件之间的相关性以及电
负载匹配的有效性的研究。
关键词
热电发电机 ；废热回收 ；热转换 ；电负载电阻 ；加载匹配
1.介绍
热电模块现在被考虑应用在各种发电设备中，其中热量资源是来自纸浆和纸张生产，数据中心冷却系统和发动机排气等过程的废热。在这样的考虑中，目标是从25-225℃的低温废热发电。在这个范围内，出于这样的原因，半导体碲化铋（Bi 2 Te 3）已经被证明是[1]，[2] 和 [3]是用于开发被称为塞贝克效应的热电现象的最有效的市售热电材料。
一般来说，热电发电旨在开发低成本热源[7]，[8] 和 [9]。例如，[10]，[11] 和 [12]详细介绍了热电模块在汽车废热回收中的潜在应用，[13]证明了热电材料在生物质锅炉废热转化中的应用，[14] ]研究通过将热电模块与浓缩透镜耦合来利用太阳能。在这种应用中，可变运行条件意味着可变的热输入条件。通常认为，这种动态系统需要变化的电负载以获得最佳功率输出; 确实，[15]描述了在排气废热回收应用中动态热条件下电负荷匹配的重要性。类似地，[16]讨论了由于一般的低温热电发电系统的热条件的改变而导致的电气负载匹配的重要性。这就意味着诸如汽车排气回收应用或太阳能收集装置之类的工作条件变化很大的应用需要根据热条件的波动而改变电负载电阻，从而使热电功率输出最大化。当热条件变化时，电负载电阻的调整归因于与发电机内部电阻匹配的电气负载，称为最大功率点跟踪（MPPT）。实际上，通过使用Bi2Te 3模块将低等级的热能从液态金属转化为电，并且通过在两种不同的负载下进行相同的测试，[17]表明电负载影响热电发电中的输出电压。然而，在不同的热条件下，这意味着存在最佳负载电阻。
本研究的目的是通过评估新型液 - 液热电发电机相对于其热 - 水 - 电性能的功率对电负载响应来促进MPPT系统的开发。为此，建立了一个可靠的测试设备，用于对增加负载电阻对热电功率输出的影响的实验表征。通过热水和冷水的流动产生一系列四十个热电模块的温度梯度。特别地，这项研究表明，在增加的负载电阻下，改变热输入条件对最佳电负载电阻的影响可以忽略不计，对于功率输出，R L，opt表示。其次，将发电机的峰值热电功率输出与热输入条件相关联; 相关性表明峰值功率相对于流速显示相对于温度和根功能行为的指数行为。第三，表明当负载大于最优值而不是最优值时，热电功率对电负载误差较不敏感。最后，本工作表明，在所有测试的热输入条件下，R L选择在增加的电负载电阻下的热电生产严格小于发电机的内部电阻。相关性表明峰值功率相对于流速显示相对于温度和根功能行为的指数行为。第三，表明当负载大于最优值而不是最优值时，热电功率对电负载误差较不敏感。最后，本工作表明，在所有测试的热输入条件下，R L，选择在增加的电负载电阻下的热电生产严格小于发电机的内部电阻。相关性表明峰值功率相对于流速显示相对于温度和根功能行为的指数行为。第三，表明当负载大于最优值而不是最优值时，热电功率对电负载误差较不敏感。最后，本工作表明，在所有测试的热输入条件下，R L，选择在增加的电负载电阻下的热电生产严格小于发电机的内部电阻。
2.热电
这项研究的重点是发电机相对于增加的电负载电阻的热电发电量。在[18] 和 [19]中详细描述了热电功率与其电负载之间的关系，其中由N个热电偶组成的热电模块被考虑， 如图1所示。
图1 热电偶串联并联热电产生
假设常数和各向同性材料性质和互连材料塞贝克系数为零，具有边界条件T（x = 0）= TC和T（x = L）= T H的一维热方程产生温度分布：
（1）
在其中热侧和冷侧的温度注意到Ť ħ和Ť Ccedil;分别Delta; Ť = Ť ħ - Ť Ccedil;，并且我是电动醋栗。热接点x = L时的节能要求热通量“in”等于热通量“out”加上Seebeck效应吸收的能量：
q ^ h = Q 出 -Ialpha; P，N Ť ħ。 （2）
在等式 （2） ，alpha; p，Ntilde; = alpha; p - alpha; Ntilde;处于的塞贝克系数的差异p型和Ntilde;型半导体颗粒。
组合方程 （1） 和 （2）与傅立叶的传导定律在x = L时，产生以下能量平衡：
（ 3 ）
类似地，在x = 0时，冷侧热通量为：
（ 4 ）
单个模块的功率是N个热电偶的热通量差的总和：
（ 5 ）
由于术语2Nrho;L / A表示热电偶的电阻之和，注意到内部电阻R int，Eq （5）可以表示为：
I2 RL = -I 2 - R INT NI alpha; P，N Delta;T. （ 6 ）
解决方程式中的非零电流 （6）并结合方程 （5）根据温差和电负载电阻产生功率输出：
（ 7 ）
上述方程的分析容易地表明，当施加在系统上的电负载电阻等于发电机的内部电阻时，发生最大功率输出; 也就是说，当由内阻归一化的电负载达到一致时，获得峰值功率：
（ 8 ）
该结果产生峰值功率：
（ 9 ）
经常用于模拟峰值热电功率，例如在Eakburanawat和Boonyaroonate [20]和Crane and Bell [15]中研究的动态热条件下。在电力负荷增加的背景下研究了热电功率峰值负载匹配的有效性。
3.实验设置
通过建立一个实验测试台，以便测量热电模块的功率输出，并增加电负载电阻。试验台通过在两层电热串联的热电模块之间引导热水来提供热量，同时用冷水从模块层的外侧吸走热量。
测试台的中心部件是由两组二十个可商购的Bi 2 Te 3热电模块TEG2-07025HT-SS组成的发电机，放置在热流体通道的两侧。两个冷流体流动通道封闭系统消散热量，从而稳定模块之间的温度梯度。结果是由Thermal Electronics Corp.组装的铝封装专用热电液-液发生器，如图2所示。
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