基于AMTEC的靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換聯(lián)合系統(tǒng)性能評價與參數(shù)分析.pdf

1、本文主要對基于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換(AMTEC)的靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換聯(lián)合系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行了評價，包括由堿金屬熱電轉(zhuǎn)換與溫差熱電轉(zhuǎn)換(TEC)組成的AMTEC/TEC靜態(tài)聯(lián)合系統(tǒng)，以及由熱離子熱電轉(zhuǎn)換(TIC)、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換、溫差熱電轉(zhuǎn)換組成的TIC/AMTEC/TEC靜態(tài)聯(lián)合系統(tǒng)。首先從AMTEC、TEC的工作原理出發(fā)，在充分考慮系統(tǒng)主要的內(nèi)外部損失的前提下，從能量平衡的角度建立了AMTEC/TEC靜態(tài)聯(lián)合系統(tǒng)的分析模型，導(dǎo)出了AMTEC子

2、系統(tǒng)、TEC子系統(tǒng)及AMTEC/TEC聯(lián)合系統(tǒng)的輸出功率及效率的表達(dá)式。該模型中，AMTEC蒸發(fā)溫度、冷凝溫度及TEC冷端溫度不直接指定，而是由能量平衡關(guān)系式求得。以該模型為基礎(chǔ)，對AMTEC子系統(tǒng)、TEC子系統(tǒng)及 AMTEC/TEC聯(lián)合系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行了評價，并討論了負(fù)載參數(shù)、相關(guān)幾何參數(shù)及運(yùn)行環(huán)境溫度對各子系統(tǒng)及AMTEC/TEC聯(lián)合系統(tǒng)的性能影響。評價結(jié)果表明，AMTEC/TEC聯(lián)合系統(tǒng)的效率可達(dá)31.33％，比AMTEC單

3、系統(tǒng)的效率高4%左右。隨著AMTEC電極電流密度的增大，AMTEC/TEC聯(lián)合系統(tǒng)總輸出功率PALL單調(diào)增大，AMTEC/TEC聯(lián)合系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)換效率ηALL先增大后減小。隨TEC系統(tǒng)無量綱電流i的增大，AMTEC/TEC聯(lián)合系統(tǒng)總輸出功率PALL及轉(zhuǎn)換效率ηALL先增大后減小。對于AMTEC總電極面積確定的AMTEC/TEC聯(lián)合系統(tǒng)，系統(tǒng)總的輸出功率PALL及效率ηALL隨AMTEC與熱源換熱面積的增大而增大，隨TEC模塊面積的增大先增

4、大后減小。當(dāng)TEC模塊PN電偶對填充率b確定時，對任意b，始終存在最佳的臂長lopt使AMTEC/TEC聯(lián)合系統(tǒng)總輸出功率或效率有最大值，且隨著b的增大，其對應(yīng)的最佳PN電偶對臂長lopt、最大功率及效率均增大。環(huán)境參數(shù)分析表明，AMTEC/TEC聯(lián)合系統(tǒng)的輸出功率PALL隨熱源溫度的增大顯著增大，效率ηALL隨熱源溫度的增大有先顯著增大后緩慢減小的趨勢，而冷源溫度對AMTEC/TEC聯(lián)合系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換性能影響較小。
　　本研究提

5、出了TIC/AMTEC/TEC靜態(tài)聯(lián)合系統(tǒng)，并建立了其數(shù)學(xué)分析模型，該模型中系統(tǒng)各溫度也由能量平衡關(guān)系決定。以該模型為基礎(chǔ)，討論了TIC的集電極功函數(shù)、TIC電壓、AMTEC及TEC子系統(tǒng)負(fù)載參數(shù)、相關(guān)幾何參數(shù)以及運(yùn)行環(huán)境對各子系統(tǒng)及聯(lián)合系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換性能的影響。分析結(jié)果表明，TIC/AMTEC/TEC聯(lián)合系統(tǒng)的效率達(dá)到55.34%，與TIC單系統(tǒng)比提高了18%左右。TIC/AMTEC/TEC聯(lián)合系統(tǒng)的總功率PALL及效率ηALL隨TIC

6、集電極功函數(shù)Φc及電壓VTI的增大先增大后減小，且隨AMTEC電極電流密度J的升高先增大后減小， PALL在J較大時取得最大值，ηALL在J較小時取得最大值，而TEC的負(fù)載情況對TIC/AMTEC/TEC聯(lián)合系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換性能的影響較小。對于特定的TIC系統(tǒng)而言，隨著AMTEC子系統(tǒng)BASE總面積的增大，聯(lián)合系統(tǒng)總輸出功率PALL單調(diào)增加，效率ηALL先增加后減小。TEC模塊面積與BASE總面積比c對聯(lián)合系統(tǒng)性能影響較小。當(dāng) TEC模塊