原文：https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100435
汽车发动机或工业生产中产生的高温尾气通常直接排放到大气环境中，能源浪费严重，将其高效转化为电能对人类社会的可持续发展具有重要的意义。热电发电机（TEG）技术在尾气余热回收领域具有很好的应用前景，但其在有限的排气系统空间内产生足够高的电能仍存在挑战。虽然已经开发出诸多将尾气余热转化为电能的TEG装置，为了产生足够大的输出功率，这些装置通常采用与热流方向相垂直的层叠式系统结构设计，以高效收集高温尾气中的热量，但其功率密度较低，且这种设计导致体积过大，还不能满足工程应用需求。
近日，清华大学曹炳阳教授团队和德国亚琛工业大学余愿博士合作，提出一种集成热管的TEG装置，热管的引入提高了冷/热源和热电模块之间的换热性能。研究人员将热管结构引入传统层叠式设计，利用热管的高导热特性改变传热方向，使得层叠方向与热流方向一致，有助于在有限的空间中集成更多的热电模块。通过台架实验，在650 K和50 m s-1的热流作用下，该TEG装置可产生848.37 W的输出功率和48.22 W L-1的超高系统级功率密度，实现了功率密度的大幅提升。同时，可以通过改变堆叠结构扩展至不同的应用场景。研究成果以“Increasing power densities in a thermoelectric generator by stacking and incorporating dual heat pipes”为题发表于《Device》期刊。清华大学博士后罗丁博士为文章第一作者。
03 图文导读
该TEG结构整体呈现六边形构型，通过热端平板、冷端平板以及两者之间的热电模块层叠组装而成。每个热端平板装配12个热端热管，热管采用交错式布局在不同层之间，保证了热管和高温尾气之间的换热性能；每个冷端平板内部置12个冷端热管，将热量传递至六边形构型的缺陷处进行冷却，提高空间利用率。
TEG工程应用需同时满足两点：在有限的空间内产生足够高的输出功率，并且排气背压不宜过大。作者使用CFD和热电耦合模型相结合的方法，对集成了热管的TEG的热力学性能和发电性能进行了有限元仿真。研究表明，该热电发电机在保证较小排气背压的同时，能够在热电模块两端构建足够高的温差，单个模块输出功率达3.89 W。
研究人员首先将热管与热端/冷端平板相集成，组成一个热端/冷端单元；然后，从带有尾气入口的第一层热端平板开始层层组装，最终制作成一个具有240个热电模块的整体样机。在不同部件的装配过程中，接触界面都涂抹导热硅脂以消除空隙。该方法制作的TEG装置可根据不同应用场合调整堆叠层数，以产生足够的输出功率，并具有广泛的适用性。
图5. 热电模块拓扑优化结果和不同温度下的TEG性能，输出功率提升14.36%
图6. 本文及文献的TEG输出功率和功率密度结果对比
尽管输出功率仍未达到已报道的kW级功率，但本研究中所采用供热量远小于已报道kW级样机的供热量。通过仿真，进一步探讨了TEG的性能潜力：若以商用Bi2Te3基热电材料500 K工作温度为极限，在该温度下，TEG预计最大可实现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热电材料和更高工作温度的热电模块，该TEG装置将能够承受更大的传热量，从而实现更高的输出功率和功率密度。
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