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温差发电机在ansys中的有限元分析过程
  • 时间: 2020-11-23
  • 作者: rootfea
  • 文章来源:

1    温差发电机的有限元分析背景

温差发电器(热电发电机、热电发电器)可把热能直接转变成电能,由于地球环境各区域等温度差异不同,其具有非常广泛的应用前景,热电发电机基本原理是热电效应。Ansys workbench具有广泛平台性,非常适合于参数化建模以及优化设计,同时具有较强的耦合场分析能力,特别是其紧密对接ansys apdl(经典ansys),使得分析能力得到最大范围的提高,利用有限元分析技术,可快速得到各种热电发电机的性能参数。

2    原理说明与FEM

2.1  原理图

温差发电器原理简图如下所示:

image001.png

2.2  有限元分析模型图

2.2.1 网格与加载

根据原理简图,建立如下有限元模型(网格与加载)

2.2.2 详细组成

温差发电器由铜带与半导体(硅块)组成:

01几何模型:硅块基本尺寸为(左侧P型:10*10*12mm;右侧N型10*10*10mm,硅块相距10mm);由于温差发电器需要构成回路(通过电阻连接硅块实现),回路稍后说明。

02硅块热电系数(塞贝克系数):N型为-195uV/K,P型为230uV/K。

03基本加载条件: 硅块顶部高温330摄氏度,底部低温30摄氏度,并分别耦合各自电压自由度,其中左侧硅块底部设0电压。

04工况设定:Case1,仅考虑回路电阻时的热电发电器热电转化效率(简称热效率);Case2,考虑铜带回路时的热效率计算;Case3,考虑铜带回路与外加回路电阻时的热效率计算;Case4,在工况3基础上考虑硅块等材料的热变化材料属性下的热效率计算。

05回路电阻说明:通过在wb中添加ansys命令流片段实现回路外加电阻(回路电阻4e-3Ohm),命令流与FEM如下所示:

3    有限元分析实例过程

3.1  Case1(理想热效率分析)

3.1.1 结果展示

根据基本模型加载条件,通过FEA计算,热电结果如下:

电场分布:

image011.png

电流密度矢量分布:

image013.jpg

 

温度分布

image015.png

3.1.2 结果讨论

提取发电器顶部热发生率P1= 12.828W;

提取发电器回路电阻的电功率P2= 1.4028W,此时回路电阻中的电压为7.5e-2V,电流为18.7A;

计算得到发电器热效率为beta= P1/ P2=10.9%;

电场分布与温度分布与实际相符:由于没有外部对流,硅块自顶至低温度330到30渐变;硅块带电粒子不同,电流密度方向相反;右侧电位高,左侧电位最低为0V。

3.2  Case2与Case3比较(考虑铜带回路热效率分析)

基本模型加载条件基础上,添加铜带回路,铜带厚度1mm,其他尺寸随意,网格与加载如下(注:case2中铜带在回路中的电阻约为1e-6Ohm,case3中回路电阻为1e-6Ohm+4e-3Ohm):

image017.png

3.2.1 计算结果

通过FEA计算,得到热电分析结果如下(case2与case3):

电场分布:

image019.png

电流密度矢量分布:

image021.jpg

 

 

温度分布:

image023.jpg

3.2.2 结果讨论:

01热效率计算:

Case2中P1= 17.072W,P2= 1.98e-003W,发电器热效率为beta= P1/ P2=0.012%;

Case3中P1= 12.776W,P2= 1.38W,发电器热效率为beta= P1/ P2=10.8%;

由此可以看出,铜带回路在发电器中对热效率几乎没有影响;铜带回路与理想电阻回路热效率10.9%基本相同;但是随着铜带回路中电阻的增加,会对发热效率产生重要影响,因此,设计发电器时,应降低导线带来的电阻。

02电压电流对比计算:

Case2中的电压为4.4e-5V,电流为44.4A;

Case3中的电压为7.4e-2V,电流为18.6A;

回路中总电压与总电流的影响与回路中总电阻有直接关系,可通过参数化优化设计,得到最佳回路总电阻。

03电场与热场分析:

由于回路电压的较大差异,根据热电效应,温度分布梯度在不同工况中有明显差异;电场分布梯度在不同工况中有明显差异;电流密度方向相同,其数值有明显差异。

04小结:

回路中导线带来的电阻值不大时,FEA过程中,仅需要建立核心发热器部件;如果导线较长或者较细,需要考虑导线的FEM建立。

3.3  Case4(考虑随着温度变化的材料属性时热效率计算)

热电分析中,各材料属性一般是随着温度的变化而变化的,考虑温度变化的热效率计算结果如下(加载等于case3相同)

3.3.1 计算结果

电场分布:

image025.png

电流密度矢量分布:

image029.jpg

温度分布:

image031.png

3.3.2 结果讨论

01热效率计算:

Case4中P1=10.9W,P2= 1.0032W,发电器热效率为beta= P1/ P2=9.2%,约为case3中热效率10.8%的85%,由此可以看出,考虑热变化的材料属性对热效率计算有较大影响。

02电场与热场分析:

由于材料属性随着温度不同,而电压是因为热电效应产生的,与case3中对比,结果分布都有一定差异。

4    总结与说明

通过ansys workbench计算,总结温差发电器分析要点如下:

1 在可能情况下,仅需要搭建等效电阻回路即可,回路创建需要借助命令流,其核心单元是CIRCU124;

2 一般情况下选择SOLID226 单元,此单元具有热电分析的全部能力;

3 加载与约束过程需要分别满足电场分析与温度分析,初步分析可通过单场分析验证模型,然后再结合起来计算热电耦合效果;

4工程应用分析过程中,需要考虑多种条件,可通过wb建立参数化模型,快速验证具体参数

5热电分析伴随温度梯度变化过程,因此,在材料属性定义时,应考虑随温度变化的各种参数,通过wb可快速与准确地创建。

6准确热效率计算需要考虑更为全面的建模因素,主要包括材料属性、回路搭建等。


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