原文：https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100435
汽車發動機或工業生產中產生的高溫尾氣通常直接排放到大氣環境中，能源浪費嚴重，將其高效轉化為電能對人類社會的可持續發展具有重要的意義。熱電發電機（TEG）技術在尾氣余熱回收領域具有很好的應用前景，但其在有限的排氣系統空間內產生足夠高的電能仍存在挑戰。雖然已經開發出諸多將尾氣余熱轉化為電能的TEG裝置，為了產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結構設計，以高效收集高溫尾氣中的熱量，但其功率密度較低，且這種設計導致體積過大，還不能滿足工程應用需求。
近日，清華大學曹炳陽教授團隊和德國亞琛工業大學余愿博士合作，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。研究人員將熱管結構引入傳統層疊式設計，利用熱管的高導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裝置可產生848.37 W的輸出功率和48.22 W L-1的超高系統級功率密度，實現了功率密度的大幅提升。同時，可以通過改變堆疊結構擴展至不同的應用場景。研究成果以“Increasing power densities in a thermoelectric generator by stacking and incorporating dual heat pipes”為題發表于《Device》期刊。清華大學博士后羅丁博士為文章第一作者。
03 圖文導讀
該TEG結構整體呈現六邊形構型，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；每個冷端平板內部置12個冷端熱管，將熱量傳遞至六邊形構型的缺陷處進行冷卻，提高空間利用率。
TEG工程應用需同時滿足兩點：在有限的空間內產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合的方法，對集成了熱管的TEG的熱力學性能和發電性能進行了有限元仿真。研究表明，該熱電發電機在保證較小排氣背壓的同時，能夠在熱電模塊兩端構建足夠高的溫差，單個模塊輸出功率達3.89 W。
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，接觸界面都涂抹導熱硅脂以消除空隙。該方法制作的TEG裝置可根據不同應用場合調整堆疊層數，以產生足夠的輸出功率，并具有廣泛的適用性。
圖5. 熱電模塊拓撲優化結果和不同溫度下的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預計最大可實現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，從而實現更高的輸出功率和功率密度。
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