Verbesserung der TEG-Leistungsdichte durch integrierte Wärmerohrstruktur
Das TEG-Gerät mit integrierten Wärmerohren verbessert die Wärmeübertragungsleistung zwischen Kälte-/Wärmequellen und thermoelektrischen Modulen. Forscher haben Wärmerohrstrukturen in traditionelle gestapelte Designs eingeführt und dabei die hohe Wärmeleitfähigkeit von Wärmerohren genutzt, um die Richtung der Wärmeübertragung zu ändern und so die Stapelrichtung mit der Richtung des Wärmeflusses in Einklang zu bringen, was dazu beiträgt, mehr thermoelektrische Module auf begrenztem Raum zu integrieren. Durch Laborexperimente kann das TEG-Gerät bei einem Wärmefluss von 650 K und 50 ms-1 eine Ausgangsleistung von 848,37 W und eine extrem hohe Leistungsdichte auf Systemebene von 48,22 WL-1 erzeugen eine deutliche Verbesserung der Leistungsdichte. Mittlerweile kann es durch Änderung der Stapelstruktur auf verschiedene Anwendungsszenarien erweitert werden.
Die TEG-Struktur weist als Ganzes eine sechseckige Konfiguration auf, die durch Stapeln von Hot-End-Platten, Cold-End-Platten und thermoelektrischen Modulen dazwischen zusammengesetzt wird. Jede Hot-End-Platte ist mit 12 Hot-End-Wärmerohren ausgestattet, die gestaffelt zwischen verschiedenen Schichten angeordnet sind, um die Wärmeübertragungsleistung zwischen den Wärmerohren und dem Hochtemperaturabgas sicherzustellen; Jede Kaltendplatte ist im Inneren mit 12 Kaltend-Wärmerohren ausgestattet, die Wärme zu den Defekten in der sechseckigen Konfiguration übertragen, um sie zu kühlen und die Raumausnutzung zu verbessern.
Technische TEG-Anwendungen müssen zwei Anforderungen gleichzeitig erfüllen: ausreichende Ausgangsleistung auf begrenztem Raum erzeugen und übermäßigen Abgasgegendruck vermeiden. Der Autor verwendete eine Kombination aus CFD- und thermoelektrischen Kopplungsmodellen, um Finite-Elemente-Simulationen zur Thermodynamik und Stromerzeugungsleistung von TEG mit integrierter Wärmerohrleitung durchzuführen. Untersuchungen haben gezeigt, dass der thermoelektrische Generator bei einer Ausgangsleistung eines einzelnen Moduls von 3,89 W einen ausreichend hohen Temperaturunterschied an beiden Enden des thermoelektrischen Moduls aufbauen und gleichzeitig einen geringen Abgasgegendruck gewährleisten kann.
Die Forscher integrierten zunächst das Wärmerohr mit der flachen Platte des heißen/kalten Endes, um eine Einheit des heißen/kalten Endes zu bilden; Anschließend wird ausgehend von der ersten Lage der Hot-End-Flachplatte mit Abgaseinlass Schicht für Schicht zusammengebaut und schließlich ein kompletter Prototyp mit 240 thermoelektrischen Modulen hergestellt. Während des Montageprozesses verschiedener Komponenten wird Wärmeleitpaste auf die Kontaktschnittstelle aufgetragen, um Lücken zu schließen. Das mit dieser Methode hergestellte TEG-Gerät kann die Stapelschichten entsprechend verschiedenen Anwendungsszenarien anpassen, um ausreichend Ausgangsleistung zu erzeugen, und verfügt über ein breites Anwendungsspektrum.
Wenn leistungsstärkere thermoelektrische Materialien und thermoelektrische Module mit höheren Betriebstemperaturen verwendet werden, kann das TEG-Gerät einer größeren Wärmeübertragung standhalten und dadurch eine höhere Ausgangsleistung und Leistungsdichte erreichen.
