(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111611779.7 (22)申请日 2021.12.27 (71)申请人 武汉理工大 学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122号 (72)发明人 谢长君　朱文超　 (74)专利代理 机构 武汉开元知识产权代理有限 公司 42104 代理人 刘琳 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06N 3/12(2006.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种考虑经济性的环形热电发电机的优化 设计方法及系统 (57)摘要 本发明公开了一种考虑经济性的环形热电 发电机的优化设计方法及系统， 该方法包括： 步 骤1： 测试热电发电机内热电半导体性能， 并对环 形热电半导体热电偶编号， 建立汽 车尾气热电发 电装置传热数学模型， 建立热电发电机净功率计 算式和净转化效率计算式； 步骤2： 建立热电发电 机总成本指标计算式， 并构建环形热电发电机经 济性评价体系； 步骤3： 根据热电发电机内传热特 性， 建立汽车尾气热电发电装置机理模型； 步骤 4： 根据机理模型， 采用非劣排序遗传算法， 划定 变量区间， 计算热电发电机的转换效率、 净功率 以及初设成本优化后的帕累托最优解集， 采用优 劣解距离法得到优化热电偶总体积； 步骤5： 根据 优化热电偶总体积， 构建汽车尾气热电发电装 置。 权利要求书8页 说明书19页 附图8页 CN 113987964 A 2022.01.28 CN 113987964 A 1.一种考虑经济性的环形热电发电机的优化设计方法， 其特征在于， 该方法包括以下 步骤： 步骤1： 测试环形热电发电机内热电偶的性能， 并对热电偶编号， 建立汽车尾气热电发 电装置的传热 数学模型， 建立热电发电机的净功率计算式和净转 化效率计算式； 步骤2： 建立热电发电机的总成本指标计算式， 并构建环形热电发电机的经济性评价体 系； 步骤3： 根据热电发电机内传热 特性， 建立汽车尾气热电发电装置的机理模型； 步骤4： 根据机理模型， 采用非劣排序遗传算法， 划定变量区间， 计算热电发电机的转换 效率、 净功率以及初设成本优化后的帕累托最优解集， 采用优劣解距离法得到优化的热电 偶总体积； 步骤5： 根据优化的热电偶总体积， 构建汽车尾气热电发电装置 。 2.根据权利要求1所述的一种考虑经济性的环形热电发电机的优化设计方法， 其特征 在于： 所述 步骤1中还 包括以下步骤： 步骤1.1： 确定热电偶的物理特性； 步骤1.2： 将每一个热电偶作为一个计算单元， 分析热电发电机的内传热特性， 根据传 热规律建立热电发电机的净功率计算式； 步骤1.3： 建立热电发电机的净转 化效率计算式。 3.根据权利要求2所述的一种考虑经济性的环形热电发电机的优化设计方法， 其特征 在于： 所述 步骤1.2中， 净功率计算式的建立方法为： 令环形热电发电机轴向为 x方向， 径向为 r方向， 热电发电机 x方向上设有 nx个热电偶， 热 电发电机 r方向上设有 nr个热电偶， 一个 P型半导体和一个 N型半导体组成一个热电偶， 每个 热电偶为 一个计算单元， 用上标(i,j)表示第i环， 第j行个计算单元； 根据珀尔贴效应和傅里叶效应以及焦耳热效应， 热电模块热端热流 Qh和热电模块冷热 冷流Qc的表达式分别为： （1） （2） 式中：αpn为一个热电偶的塞贝克系数， Kpn为一个热电偶的热导， Rpn为一个热电偶的电 阻；Thj为热电器件的热端温度和 Tci为热电器件的冷端温度， I为回路电流， Sh为一个计算单权　利　要　求　书 1/8 页 2 CN 113987964 A 2元与热流体的传热面积， Sc为一个计算 单元与冷流体的传热面积， hf为热电模块热端的总对 流传热系数， ha为热电模块冷端的总对流传热系数， cpf为热流体的比热容， cpa为冷流体的比 热容，mf为热流体的质量 流量，ma为冷流体的质量 流量，nr为热电模块径向上的行 数； 一个热电偶的热导 Kpn的表达式为： （3） 式中：λp为构成热电模块 P型热电材料的热导率， λn为构成热电模块 N型热电材料的热导 率，δ为P或N型半导体内弧对应的角度， R表示环形热电发电机的内径， H表示热电模块支腿 的径向长度； 一个热电偶的电阻 Rpn的表达式为： （4） 式中：ρp为P型材料的电阻率， ρn为N型材料的电阻率， W为热电模块支腿的厚度； 每个计算单元上冷端流体温度的算数平均值 Tfavi、 热端流体温度的算数平均值 Taavi的 表达式为： （5） 式中：Tfj为热流体流入第 i环时的的温度， Tfi+1为热流体流出第 i环时的温度， Tai为冷流 体流入第 i环时的温度， Tai+1为冷流体流出第 i环时的温度； 环形热电发电机总体的电流 I的计算式为： （6） 式中：RL为外接电阻，Rpn为一个热电偶的电阻； 热电发电机的发电功率 PATEG的计算式为： （7） 式中：Qhi为第i个计算单元的热端热流， Qci为第i个计算单元的冷端冷流； 环形热电发电机系统的净功率 Pnet的计算式为：权　利　要　求　书 2/8 页 3 CN 113987964 A 3