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刘海波同学和王硕林同学在《Energy》发表论文

发布日期:2020-04-30

热电发电器(TEG),是利用半导体的塞贝克效应直接将热电转化为电能的器件,具有清洁绿色、无噪音、体积小、质量轻、易维护等优点,可应用在太阳能回收、汽车尾气回收、工业废热回收、军工医疗等领域。然而受热电材料限制,现有的TEG性能相对较差,这限制了它的应用。近年来,研究发现采用变截面结构能够提高TEG的性能,并对此展开了研究。研究一致认为变截面结构能够提高热电转换效率;而对于输出功率,一些研究认为变截面能够提高输出功率,一些研究则相反。而为什么会出现矛盾的结论,现有研究尚未给出答案。

基于上述问题,华北电力大学工程热物理研究中心刘海波同学作为第一作者,王硕林同学作为第二作者,王晓东教授作为通讯作者,在能源领域国际期刊Energy上发表变截面型TEG性能理论分析的论文,论文题目为“Theoretical analysis of performance of variable cross-section thermoelectric generators: Effects of shape factor and thermal boundary conditions”。该项工作采用理论分析与数值模拟相结合的方式回答了变截面结构使TEG输出功提高或者降低的原因以及决定变截面TEG输出功率提高或者降低的因素并且提出了一个适用于任意截面形状的无量纲形状因子m。该项工作的研究结果可为设计人员在实际变截面腿TEG设计时提供全面的指导。

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【论文概述】

论文以一个具有任意截面形状半导体腿的TEG为研究对象首先得到了一个适用于任何变截面腿的无量纲形状因子m;在此基础上,为了得到一个通用结论,考虑了所有可能的8种边界条件组合,通过热阻网络以及一维能量平衡方法得到所有边界条件下的变截面与等截面TEG的最大工作电流、最大输出功率以及最大转换效率表达式。最后,通过三维数值模拟验证了理论分析的准确性。


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等截面热电单元与变截面热电单元的示意图

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(图为热阻网络示意图

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(图为8种热边界条件下等截面与变截面TEG的性能对比

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(图为数值模拟结果,数值模拟结果与理论模型结果完全一致)


论文得出以下结论:(1)得到了一个可以表征任意截面形状的无量纲形状因子mm总是大于1m将变截面腿的热阻和电阻与常规腿的热阻和电阻联系起来。变截面TEG的性能取决于形状因子和热边界条件的类型。边界条件的类型决定了变截面设计能否提高TEG的性能,而形状因子决定了性能的提高或降低的程度。2)在热电材料体积固定的情况下,与常规等截面腿相比,变截面腿总能提高最大转换效率(除两端定温外)最大工作电流保持不变或减小。然而,最大输出功率提高或减低取决于边界条件的类型。3)在两端均为定温边界条件时,变截面TEG最大转换效率不变,而最大输出功率和最大工作电流降低到传统TEG的1/m,因此这样的组合边界条件应该避免在实际应用中。当变截面TEG的热端冷端采用定热流边界条件时,最大工作电流保持不变,而最大转换效率和最大输出功率都是传统TEG的m倍。然而,对于对流和定温边界条件的组合,变截面TEG能否提高最大输出功率取决于TEG的形状因子、热阻和对流热阻。因此,选择合适的m值对于最大输出功率的提高尤为重要。

论文得到了国家自然科学基金重点项目(No. 51936004)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)资助。