來源：Device

原文：https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100435

01 背景介紹

汽車發(fā)動機或工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的高溫尾氣通常直接排放到大氣環(huán)境中，能源浪費嚴重，將其高效轉(zhuǎn)化為電能對人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

熱電發(fā)電機（TEG）技術(shù)在尾氣余熱回收領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，但其在有限的排氣系統(tǒng)空間內(nèi)產(chǎn)生足夠高的電能仍存在挑戰(zhàn)。雖然已經(jīng)開發(fā)出諸多將尾氣余熱轉(zhuǎn)化為電能的TEG裝置，為了產(chǎn)生足夠大的輸出功率，這些裝置通常采用與熱流方向相垂直的層疊式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，以高效收集高溫尾氣中的熱量，但其功率密度較低，且這種設(shè)計導(dǎo)致體積過大，還不能滿足工程應(yīng)用需求。

02 成果掠影

近日，清華大學(xué)曹炳陽教授團隊和德國亞琛工業(yè)大學(xué)余愿博士合作，提出一種集成熱管的TEG裝置，熱管的引入提高了冷/熱源和熱電模塊之間的換熱性能。研究人員將熱管結(jié)構(gòu)引入傳統(tǒng)層疊式設(shè)計，利用熱管的高導(dǎo)熱特性改變傳熱方向，使得層疊方向與熱流方向一致，有助于在有限的空間中集成更多的熱電模塊。通過臺架實驗，在650 K和50 m s^-1的熱流作用下，該TEG裝置可產(chǎn)生848.37 W的輸出功率和48.22 W L^-1的超高系統(tǒng)級功率密度，實現(xiàn)了功率密度的大幅提升。同時，可以通過改變堆疊結(jié)構(gòu)擴展至不同的應(yīng)用場景。研究成果以“Increasing power densities in a thermoelectric generator by stacking and incorporating dual heat pipes”為題發(fā)表于《Device》期刊。清華大學(xué)博士后羅丁博士為文章第一作者。

03 圖文導(dǎo)讀

圖1. 具有雙熱管的層疊式TEG示意圖

該TEG結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)六邊形構(gòu)型，通過熱端平板、冷端平板以及兩者之間的熱電模塊層疊組裝而成。每個熱端平板裝配12個熱端熱管，熱管采用交錯式布局在不同層之間，保證了熱管和高溫尾氣之間的換熱性能；每個冷端平板內(nèi)部置12個冷端熱管，將熱量傳遞至六邊形構(gòu)型的缺陷處進行冷卻，提高空間利用率。

圖2. TEG裝置的有限元仿真結(jié)果

TEG工程應(yīng)用需同時滿足兩點：在有限的空間內(nèi)產(chǎn)生足夠高的輸出功率，并且排氣背壓不宜過大。作者使用CFD和熱電耦合模型相結(jié)合的方法，對集成了熱管的TEG的熱力學(xué)性能和發(fā)電性能進行了有限元仿真。研究表明，該熱電發(fā)電機在保證較小排氣背壓的同時，能夠在熱電模塊兩端構(gòu)建足夠高的溫差，單個模塊輸出功率達3.89 W。

圖3. TEG的樣機制作過程

研究人員首先將熱管與熱端/冷端平板相集成，組成一個熱端/冷端單元；然后，從帶有尾氣入口的第一層熱端平板開始層層組裝，最終制作成一個具有240個熱電模塊的整體樣機。在不同部件的裝配過程中，接觸界面都涂抹導(dǎo)熱硅脂以消除空隙。該方法制作的TEG裝置可根據(jù)不同應(yīng)用場合調(diào)整堆疊層數(shù)，以產(chǎn)生足夠的輸出功率，并具有廣泛的適用性。

圖4. TEG原型機實驗試驗臺

圖5. 熱電模塊拓撲優(yōu)化結(jié)果和不同溫度下的TEG性能，輸出功率提升14.36%

圖6. 本文及文獻的TEG輸出功率和功率密度結(jié)果對比

盡管輸出功率仍未達到已報道的kW級功率，但本研究中所采用供熱量遠小于已報道kW級樣機的供熱量。通過仿真，進一步探討了TEG的性能潛力：若以商用Bi₂Te₃基熱電材料500 K工作溫度為極限，在該溫度下，TEG預(yù)計最大可實現(xiàn)919.27 W的功率和52.25 W L^-1的功率密度。

若使用具有更高性能的熱電材料和更高工作溫度的熱電模塊，該TEG裝置將能夠承受更大的傳熱量，從而實現(xiàn)更高的輸出功率和功率密度。

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