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张育逢和刘海波同学在《Applied Thermal Engineering》发表论文

发布日期:2019-08-19

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TEGTEC采用电串联连接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作者,王晓东教授作为通讯作者传热领域国际期刊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新设计中,TEC采用双层结构,两个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m1n1设计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新设计的制冷量可达原始设计的1.832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(m1m2)为8:10,而新设计为11:7两种设计下TEC的最佳个数比n1n2)均为6:6;(3热电总数TEGTEC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(2017ZZD006FRF-BD-16-009A)的资助。


撰稿人:刘海波