基于改进热网络模型的热电发电模块温度估计方法

本发明属于温差能发电领域，具体涉及一种基于改进热网络模型的热电发电模块温度估计方法。

背景技术：

1、温差发电片(thermoelectric generator,teg)是一种基于热电材料塞贝克效应收集热量并将其转换为电能的半导体器件。因结构简单、使用方便和环境友好等优点，已在航天、交通、能源等多个领域得到了应用，尤其在低功耗的无线监测系统供能领域，温差发电片展现出了巨大商用价值。温差发电片输出性能不仅与材料物性相关，也和温差发电片冷热端之间的温差有关。在开展性能评估和预测时，由于无法获得实时温度测量数据，需要凭借热电模型来估计温差发电片的冷热端温差变化。热电模型通常由电模型和热模型两部分组成。其中，电模型描述了温差发电片在不同冷热端温差下输出电压及发电功率的变化，而热模型则描述了温差发电片内部材料的热特性，以及向外部环境的散热特性。因此，准确建立热模型是冷热端温差估计的关键，也是热电系统性能评估和预测精度的重要保障。

2、等效热网络模型方法是温差发电片热模型建立方法之一。等效热网络模型方法通过类比思想，将复杂的热学分析简化为了电学计算问题。尽管当前等效热网络模型已经在温差发电片热电建模中发挥了重要作用，但在工程中快速准确估计温差发电片冷热端温差仍面临着较大挑战。由传热学基本原理可知，物体通常通过热对流和热辐射两种方式向周围环境释放热量。由于温度会影响物体表面边界层空气流动，故对流散热与物体温度之间存在着非线性关系，且这种非线性现象在自然对流条件下尤为明显。物体与环境之间的辐射换热与物体温度四次幂相关，因此同样呈现非线性特性。在热对流和热辐射的非线性作用下，温差发电片散热功率不仅具有非线性，还存在时变性。但受材质、结构和表面工艺等复杂因素影响，温差发电片的非线性散热特性在工程中难以理论计算。这导致大多等效热网络模型忽略了热对流和热辐射对温差发电片温度的非线性影响，无法准确描述冷热端之间的温差变化。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种基于改进热网络模型的热电发电模块温度估计方法，克服温差发电片非线性散热特性难以准确计算的不足，有效获取冷热端温差及其动态变化。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于改进热网络模型的热电发电模块温度估计方法，估计方法步骤如下：

3、步骤1、根据辐射散热与对流散热的非线性原理，基于传统等效热网络模型，在传统的外部热网络中分别引入温差发电片热端、冷端和散热器的非线性传热支路，设计改进等效热网络模型，转入步骤2。

4、步骤2、基于改进等效热网络模型构建多目标函数，并结合实验样本数据和nsga-ii算法提取温差发电片热参数，得到参数辨识结果，转入步骤3。

5、步骤3、利用改进等效热网络模型及辨识结果，在给定工作条件下，对温差发电片的温度进行估计，以此获得冷热端温差估计结果。

6、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

7、(1)凭借热网络原理简单和计算量小的优势，本方法能够快速实现特定条件下的冷热端温差快速估计。

8、(2)若能够提前获知温差发电片未来的工作条件，还可有预见性地估计冷热端温差变化，为整个热电发电系统的性能预测和可靠性分析提供重要依据。

技术特征：

1.一种基于改进热网络模型的热电发电模块温度估计方法，其特征在于，改进传统的等效热网络模型，在传统等效热网络模型的外部热网络中分别引入温差发电片热端、冷端和散热器的非线性传热支路；并利用多目标辨识和nsga-ii算法提取热网络中的热学参数，以此实现温差发电片冷热端温差的快速估计。

2.根据权利要求1所述的基于改进热网络模型的热电发电模块温度估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的基于改进热网络模型的热电发电模块温度估计方法，其特征在于，步骤1中，根据辐射散热与对流散热的非线性原理，基于传统等效热网络模型，在传统等效热网络模型的外部热网络中分别引入温差发电片热端、冷端和散热器的非线性传热支路，设计改进等效热网络模型，具体如下：

4.根据权利要求2所述的基于改进热网络模型的热电发电模块温度估计方法，其特征在于，步骤2中，基于改进等效热网络模型构建多目标函数，并结合实验样本数据和nsga-ii算法提温差发电片热参数，得到参数辨识结果，具体如下：

5.根据权利要求4所述的基于改进热网络模型的热电发电模块温度估计方法，其特征在于，步骤3中，利用改进等效热网络模型及参数辨识结果，在指定热源功率和环境条件下，对温差发电片的温度进行估计，以此获得冷热端温差估计结果，具体如下：

技术总结
本发明公开了一种基于改进热网络模型的热电发电模块温度估计方法，首先对温差发电片的传统等效热网络模型进行改进，随后再以温差发电片热端、冷端和散热器温度估计误差最小值构建多目标函数，结合实验样本数据和NSGA‑II算法，对温差发电片热参数进行辨识，最后根据参数辨识结果与改进等效热网络模型实现冷热端温差快速估计。在散热功率非线性变化最为明显的自然对流条件下，对所提方法进行实验验证。本发明能够克服温差发电片非线性散热特性难以准确计算的不足，有效获取冷热端温差及其动态变化，为整个热电发电系统的性能预测和可靠性分析提供重要依据。

技术研发人员：应展烽,胡怡萱,杨毅,罗树钰,祖玮
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5