自驱动型联合热电系统（TEG-TEC）由热电发电器（TEG）和热电制冷器（TEC）构成，利用温差发电，TEG可直接给TEC供电，驱动TEC工作。由于TEG-TEC联合系统无需外接电源即可实现制冷、控温及冷却，其在潜艇、太空探测和野外勘探等领域具有潜在的应用前景，近年来受到广泛关注。现有的TEG-TEC联合系统包括两类：单层TEG驱动单层TEC以及双层TEG驱动双层TEC。由于两类系统的TEG和TEC均采用电串联连接，其最大制冷量和制冷温差存在极限，无法突破，从而限制了其应用范围。

北京科技大学林林教授作为第一作者，张育逢同学作为第二作者，华北电力大学工程热物理研究中心刘海波同学作为第三作者，王晓东教授作为通讯作者，在传热领域国际期刊Applied Thermal Engineering上发表题目为“A new configuration design of thermoelectric cooler driven by thermoelectric generator”的论文。论文提出了一种新的TEG-TEC联合系统，新系统采用了两个单层TEG，分别给双层TEC的冷阶和热阶供电，突破了原有系统的最大制冷量和制冷温差极限。

【论文概述】

论文提出了“新型分别式电连接”的双层TEC-TEG自驱动联合热电系统。在新设计中，TEC采用双层结构，两个单层TEG分别对上下两层TEC直接供电。新设计由于具有两个独立电流，系统自由度更高。分别以最大制冷量和极限制冷温差为目标函数，在总热电单元个数固定的约束条件下，对比了两种设计的性能，发现新设计的最大制冷量和极限制冷温差总是大于原始设计。论文还对两种设计的最佳热电单元个数比进行了研究，得到了两种设计的最优结构。论文进一步讨论了热电单元总数、发电单元和制冷单元个数比、热电单元冷热端温差对两种设计性能的影响规律，进一步证明了新设计的有效性。

（图为原始设计和本文提出的新设计示意图）

（图中结果显示，在任意的m1和n1下，新设计的TEC制冷量和TEG的输出功率都大于传统结构）

（图中结果显示，新设计的最大制冷温差总是大于传统设计）

论文得出了以下结论：（1）当热电单元总数固定时，新设计的制冷温差和制冷量都大于原始设计。当热电总是为30时，新设计最大可将制冷温差提高76.8%，最大将制冷量提高75%；当热电总数为210时，新设计的制冷量可达原始设计的1.83倍；（2）优化热电单元个数比可以提高两个设计的系统性能（如上图所示）。对于原始设计，TEG的最佳个数比（m1：m2）为8:10，而新设计为11:7；两种设计下，TEC的最佳个数比（n1：n2）均为6:6；（3）当热电总数、TEG与TEC的个数比、冷热端温差改变时，新设计仍能获得更大的制冷量。这是因为在相同温差下，新设计的单层TEG能够比原始设计的双层TEG产生更多的电能，因而TEC获得更大的制冷量。

论文得到了国家杰出青年科学基金（51525602）、国家自然科学基金创新研究群体科学基金（51821004）和中央高校基本科研业务费专项资金（2017ZZD006和FRF-BD-16-009A）的资助。

撰稿人：刘海波