太阳能驱动的TIC/AMTEC/TEG复合系统热电转换性能分析

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温差发电器(TEG)、碱金属热电转换器(AMTEC)和热离子热电转换器(TIC)是能直接将热能转换成电能的三种静态热电转换器,具有密封性能好、运动部件少、运行稳定等优点。三种静态热电转换器组成的TIC/AMTEC/TEG复合系统不仅能实现能量的梯级利用,还具有更高的输出功率和转换效率。对复合系统性能展开研究,寻求系统性能最优时的参数设置,为未来实际应用提供了理论基础,具有极其重要的学术价值。本文采用太阳能作为驱动热源,基于热力学第一、二定律,建立了太阳能驱动的TIC/AMTEC/TEG复合系统热电转换性能分析模型,得到复合系统及其子系统热电转换效率、(火用)效率、(火用)损和(火用)损占比等的计算表达式,重点探讨了TIC输出电压V1,AMTEC输出电流密度J2和TEG无量纲输出电流i等负载参数的影响,明确复合系统中(火用)损最大的部位。研究结果表明:TIC/AMTEC/TEG复合系统、TIC子系统和AMTEC子系统热电转换效率(ηALL、ηTIC、ηAMTEC)和(火用)效率(ηxALL、ηxTIC、ηxAMTEC)随V1和J2变化的趋势相同。V1和J2越大,ηTIC和ηxTIC越大。但是J2越小,ηxTIC随V1增加而增加的幅度越大;V1越小,增大J2对ηxTIC的增大效果越明显。ηTIC和ηxTIC在V1=0.9V,J2=4000A/m2处取得最大值,分别约为39%和46%。V1越小而J2越大时,ηAMTEC和ηxAMTEC越大。随着J2的增大,ηxAMTEC从随V1先增加后降低的趋势变成随V1逐渐降低,并且J2越大降低的幅度就越大。ηAMTEC和ηxAMTEC在V1=0.5V,J2=4000A/m2处取得最大值,分别约为32%和40.5%。ηALL和ηxALL的变化趋势主要受TIC和AMTEC子系统的影响,J2越小,ηxALL随V1增加而增加的幅度越大;随着J2的增大,ηxALL则随V1的增加出现先增加后降低的趋势。因此,ηALL和ηxALL在V1=0.9V,J2=2800A/m2处取得最大值,分别约为55%和64%。值得注意的是,i的增加主要是使TEG子系统热电转换效率和(火用)效率显著增加,对TIC和AMTEC子系统的影响几乎可以忽略。此外,TIC/AMTEC/TEG复合系统中(火用)损最大的子系统是AMTEC,其(火用)损占整个TIC/AMTEC/TEG复合系统(火用)损的90%以上。增大V1和i,减小J2都会使AMTEC子系统(火用)损降低,但占整个复合系统(火用)损失的比例几乎不受影响依然最大。而BASE是AMTEC子系统中(火用)损最大的部分。因此,提高TIC/AMTEC/TEG复合系统热电转换能力要从AMTEC子系统入手,重点应该提高BASE的热力性能。
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