Βελτίωση της πυκνότητας ισχύος TEG μέσω της ενσωματωμένης δομής του σωλήνα θερμότητας
Η συσκευή TEG με ενσωματωμένους σωλήνες θερμότητας βελτιώνει την απόδοση μεταφοράς θερμότητας μεταξύ πηγών ψυχρού/θερμότητας και θερμοηλεκτρικών μονάδων. Οι ερευνητές εισήγαγαν δομές σωλήνων θερμότητας σε παραδοσιακά στοιβαγμένα σχέδια, χρησιμοποιώντας την υψηλή θερμική αγωγιμότητα των σωλήνων θερμότητας για να αλλάξουν την κατεύθυνση μεταφοράς θερμότητας, καθιστώντας την κατεύθυνση στοίβαξης συνεπή με την κατεύθυνση ροής θερμότητας, κάτι που βοηθά στην ενσωμάτωση περισσότερων θερμοηλεκτρικών μονάδων σε περιορισμένο χώρο. Μέσω πειραμάτων πάγκου, υπό τη ροή θερμότητας 650 K και 50 ms-1, η συσκευή TEG μπορεί να παράγει ισχύ εξόδου 848,37 W και πυκνότητα ισχύος εξαιρετικά υψηλού επιπέδου συστήματος 48,22 WL-1, επιτυγχάνοντας σημαντική βελτίωση στην πυκνότητα ισχύος. Εν τω μεταξύ, μπορεί να επεκταθεί σε διαφορετικά σενάρια εφαρμογών αλλάζοντας τη δομή στοίβαξης.
Η δομή TEG παρουσιάζει μια εξαγωνική διαμόρφωση στο σύνολό της, που συναρμολογείται με τη στοίβαξη θερμών ακραίων πλακών, ψυχρών ακραίων πλακών και θερμοηλεκτρικών μονάδων μεταξύ των δύο. Κάθε θερμή πλάκα είναι εξοπλισμένη με 12 σωλήνες θερμότητας θερμού άκρου, οι οποίοι είναι διατεταγμένοι σε κλιμακωτό τρόπο μεταξύ διαφορετικών στρωμάτων για να εξασφαλίσουν την απόδοση μεταφοράς θερμότητας μεταξύ των σωλήνων θερμότητας και των καυσαερίων υψηλής θερμοκρασίας. Κάθε πλάκα ψυχρής άκρης είναι εξοπλισμένη με 12 σωλήνες θερμότητας ψυχρού άκρου στο εσωτερικό, οι οποίοι μεταφέρουν θερμότητα στα ελαττώματα της εξαγωνικής διαμόρφωσης για ψύξη και βελτιώνουν τη χρήση του χώρου.
Οι εφαρμογές μηχανικής TEG πρέπει να πληρούν δύο απαιτήσεις ταυτόχρονα: να παράγουν επαρκή ισχύ εξόδου σε περιορισμένο χώρο και να αποφεύγουν την υπερβολική αντίθλιψη των καυσαερίων. Ο συγγραφέας χρησιμοποίησε έναν συνδυασμό μοντέλων CFD και θερμοηλεκτρικής ζεύξης για να πραγματοποιήσει προσομοιώσεις πεπερασμένων στοιχείων σχετικά με τη θερμοδυναμική και την απόδοση παραγωγής ενέργειας του TEG ενσωματωμένου σε σωλήνες θερμότητας. Έρευνες έχουν δείξει ότι η θερμοηλεκτρική γεννήτρια μπορεί να δημιουργήσει μια αρκετά υψηλή διαφορά θερμοκρασίας και στα δύο άκρα της θερμοηλεκτρικής μονάδας, εξασφαλίζοντας παράλληλα μια μικρή αντίθλιψη καυσαερίων, με ισχύ εξόδου μίας μονάδας 3,89 W.
Οι ερευνητές ενσωμάτωσαν πρώτα τον σωλήνα θερμότητας με την επίπεδη πλάκα θερμού/κρύου άκρου για να σχηματίσουν μια μονάδα θερμού/κρύου άκρου. Στη συνέχεια, ξεκινώντας από την πρώτη στρώση επίπεδης πλάκας θερμού άκρου με είσοδο καυσαερίων, η συναρμολόγηση πραγματοποιείται στρώμα-στρώμα και τελικά παράγεται ένα πλήρες πρωτότυπο με 240 θερμοηλεκτρικές μονάδες. Κατά τη διαδικασία συναρμολόγησης διαφορετικών εξαρτημάτων, εφαρμόζεται θερμικό γράσο στη διεπαφή επαφής για την εξάλειψη των κενών. Η συσκευή TEG που παράγεται με αυτή τη μέθοδο μπορεί να προσαρμόσει τα στρώματα στοίβαξης σύμφωνα με διαφορετικά σενάρια εφαρμογής για να παράγει επαρκή ισχύ εξόδου και έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογής.
Εάν χρησιμοποιούνται θερμοηλεκτρικά υλικά υψηλότερης απόδοσης και θερμοηλεκτρικές μονάδες με υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας, η συσκευή TEG θα μπορεί να αντέξει μεγαλύτερη μεταφορά θερμότητας, επιτυγχάνοντας έτσι υψηλότερη ισχύ εξόδου και πυκνότητα ισχύος.
