基于相变材料的半导体热电发电器性能优化研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21118

发电技术 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (6): 842-849.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.21118

基于相变材料的半导体热电发电器性能优化研究

高德扬¹, 蒋中一²^,³, 张锴²^,³, 孟境辉²^,³

^1.华北电力大学核科学与工程学院，北京市昌平区 102206
^2.热电生产过程污染物监测与控制北京市重点实验室(华北电力大学)，北京市昌平区 102206
^3.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京市昌平区 102206

收稿日期:2022-01-02 出版日期:2023-12-31 发布日期:2023-12-28
通讯作者: 孟境辉
作者简介:高德扬(1999)，男，博士研究生，研究方向为半导体热电转换技术、两相流中的换热问题，dygao_edu@163.com；
蒋中一(1997)，男，硕士研究生，研究方向为柔性热电的非致密接触问题，jiangzyi2018@163.com；
张锴(1968)，男，博士，教授，研究方向为火力发电的高效燃烧与污染控制，基于大数据的燃料物性在线检测，太阳能强化污染治理与化学储能，外场强化固体燃料热解、气化等，kzhang@ncepu.edu.cn；
孟境辉(1986)，男，博士，讲师，研究方向为微能源系统的能量转换利用与热管理、基于反问题的智能优化及评价方法，本文通信作者，mengjh@ncepu.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(51706067);中央高校基础科研基金项目(2019MS053)

Research on Performance Optimization of Semiconductor Thermoelectric Generaor Based on Phase Change Material

Deyang GAO¹, Zhongyi JIANG²^,³, Kai ZHANG²^,³, Jinghui MENG²^,³

^1.School of Nuclear Science and Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China
^2.Beijing Key Laboratory of Emission Surveillance and Control for Thermal Power Generation (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China
^3.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China

Received:2022-01-02 Published:2023-12-31 Online:2023-12-28
Contact: Jinghui MENG
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(51706067);Fundamental Research Funds for the Central Universities(2019MS053)

摘要/Abstract

摘要：

近年来，利用相变材料(phase change material，PCM)提升半导体热电发电器(thermoelectric generator，TEG)输出性能及维持TEG长效运行受到广泛关注。针对现有PCM-TEG结合方式复杂且缺乏统一认识的现状，建立了PCM-TEG耦合数学模型，对比了PCM布置在TEG热侧、冷侧及双侧时的系统性能，提出了骨架PCM设计并验证了其有效性。结果表明：骨架PCM设计通过实现TEG热管理，在一定程度上能提升器件的输出能力，并能利用自身蓄热能力有效地避免热电器件失效；骨架PCM设计优于常规无骨架PCM-TEG的系统性能；热侧PCM-TEG和双侧PCM-TEG设计能有效维持TEG的稳定运行；增强TEG冷侧换热能力，可弥补热侧PCM-TEG系统性能的不足。研究结果可以为下一步PCM-TEG应用研究提供参考。

关键词: 热管理, 热电发电器(TEG), 相变材料(PCM), 强化换热, 骨架, 失效

Abstract:

In recent years, the use of phase change material (PCM) to improve the output performance of semiconductor thermoelectric generator (TEG) and maintain the long-term operation of TEG has been widely concerned. In view of the current situation that the existing PCM-TEG combination methods are complicated and lack of unified understanding, this paper established a PCM-TEG coupling mathematical model, compared the system performance when PCM is arranged on the hot side, cold side and double sides of TEG, and proposed a skeleton with PCM design and verified its effectiveness. The results show that, through the design of PCM, the output capacity of the TEG can be improved by the device thermal management, which can effectively avoid the failure of thermoelectric devices due to its own heat storage capacity. The skeleton with PCM design is superior to the conventional PCM-TEG system performance. The design of hot-side-PCM-TEG on the double-sides-PCM-TEG on double sides can effectively maintain the stable operation of TEG. Enhancing the heat transfer capacity of TEG on the cold side can make up for the defect of insufficient output performance of hot-side-PCM-TEG. The study results can provide a reference for the next research on the relevant application of PCM-TEG.

Key words: thermal management, thermoelectric generator (TEG), phase change material (PCM), enhanced heat transfer, skeleton, failure

中图分类号:

TK 11

高德扬, 蒋中一, 张锴, 孟境辉. 基于相变材料的半导体热电发电器性能优化研究[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 842-849.

Deyang GAO, Zhongyi JIANG, Kai ZHANG, Jinghui MENG. Research on Performance Optimization of Semiconductor Thermoelectric Generaor Based on Phase Change Material[J]. Power Generation Technology, 2023, 44(6): 842-849.

图/表 13

图1 2种PCM-TEG结构

Fig. 1 Two PCM-TEG structures

表1 热电材料物性参数

Tab. 1 Physical parameters of thermoelectric materials

定压比热容C_p /(kJ⋅kg^-1⋅K^-1)

Al₂O₃

(22 224＋930.6T－0.990 5T²)×10^-9

7 700

1/(5 112＋163.4T＋0.627 9T²)×10^-10

0.154

(6 260－5 277.7T＋

0.413 1T²)×10^-4

表2 相变材料物性参数

Tab. 2 Physical parameters of PCM

PCM种类	相变温度T_m /℃	密度ρ/(kg⋅m^-3)	相变潜热L/(kJ⋅kg^-1)	定压比热容C_p /(kJ⋅kg^-1⋅K^-1)	导热系数k/(W⋅m^-1⋅K^-1)
石蜡	65.0	916(s)，790(l)	173.6	3.00(s)，2.00(l)	0.346(s)，0.167(l)
癸酸	30.5	1 004(s)，886(l)	159.0	2.47(s)，2.03(l)	0.150

图2 PCM模型实验验证

Fig. 2 PCM model experiment verification

表3 各类网格数量及误差

Tab. 3 The number and error of all kinds of grids

网格类型	网格数量	误差(与超细化网格相比)/%
常规	4 292	0.74
细化	7 099	0.27
较细化	14 454	0.31
超细化	49 552	0

图3 网格独立性验证

Fig. 3 Grid independence verification

图4 有无PCM的TEG模型输出电压对比

Fig. 4 Comparison of TEG model output voltage with and without PCM

图5 有无PCM的TEG模型PN结温度对比

Fig. 5 Comparison of PN junction temperature of TEG model with and without PCM

图6 无骨架PCM-TEG结构

Fig. 6 PCM-TEG structure without skeleton

表4 3种设计模型500 s内总输出电压对比 (mV)

Tab. 4 Comparison of total output voltage of three design models in 500 s

方案	PCM在TEG的位置
方案	冷侧	热侧	双侧
PCM内有骨架	1 834.7	482.9	1 424.3
PCM内无骨架	1 703.3	478.0	1 314.9

图7 有、无骨架设计输出电压对比

Fig. 7 Comparison of output voltage with and without skeleton design

图8 有无骨架系统液相率和热流对比

Fig. 8 Comparisons of system liquid fraction and heat flux with and without skeleton

图9 不同冷端换热系数下冷、热侧PCM-TEG系统性能对比

Fig. 9 Performance comparison of PCM-TEG system at cold and hot side under different cold end heat transfer coefficients

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基于相变材料的半导体热电发电器性能优化研究

Research on Performance Optimization of Semiconductor Thermoelectric Generaor Based on Phase Change Material

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参考文献 17

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