熱電器件優(yōu)化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀及展望

何杭

摘 要：本文對(duì)熱電器件優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)研究做了綜合性的介紹。熱電器件具有無(wú)可動(dòng)部件、穩(wěn)定性高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，而熱電器件優(yōu)化設(shè)計(jì)有望改善其效率不高的局限性，因而相關(guān)的研究在近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。本篇文章對(duì)熱電器件優(yōu)化設(shè)計(jì)——兩級(jí)熱電發(fā)電機(jī)、兩級(jí)熱電制冷器的幾何參數(shù)優(yōu)化為例做了介紹，并對(duì)其中采用的優(yōu)化方法做了說(shuō)明。結(jié)合現(xiàn)階段熱電器件優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的進(jìn)展，給出了對(duì)于熱電器件優(yōu)化設(shè)計(jì)研究主題的展望，為今后考慮特定場(chǎng)合與復(fù)雜工況下熱電器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：熱電器件;優(yōu)化;熱電發(fā)電機(jī);熱電制冷器

一、緒論

熱電器件具有固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)，通常可以被分為兩類：半導(dǎo)體熱電發(fā)電機(jī)基于塞貝克效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化成電能，半導(dǎo)體熱電制冷器基于珀耳帖效應(yīng)將電能用于制冷。由于基于半導(dǎo)體材料特性的能量轉(zhuǎn)換不需要流動(dòng)介質(zhì)或可動(dòng)部件，這使得熱電器件相比傳統(tǒng)的發(fā)電、制冷系統(tǒng)具有更好的可靠性和穩(wěn)定性，有很好地研究前景。[1]

熱電器件的性能與半導(dǎo)體熱電材料的發(fā)展密切相關(guān)，許多研究人員關(guān)注熱電材料的物理特性和熱電器件的制造技術(shù)以提高熱電器件的能量轉(zhuǎn)換性能。然而除了熱電材料和模塊的改進(jìn)之外，熱電器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于提高其性能同樣重要。

為了改善熱電器件能量轉(zhuǎn)換效率不高的局限性，有關(guān)熱電器件優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究在近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。

二、當(dāng)前研究現(xiàn)狀

近五年來(lái)，結(jié)合優(yōu)化算法對(duì)熱電器件設(shè)計(jì)進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化的研究工作被公開(kāi)。由于優(yōu)化過(guò)程對(duì)于熱電器件性能分析的準(zhǔn)確度有較高的要求，因此相關(guān)研究多采取變物性三維耦合模型以提高性能預(yù)測(cè)精度。幾個(gè)代表性的熱電參數(shù)優(yōu)化研究的介紹與分析如下。

（1）兩級(jí)熱電發(fā)電機(jī)（TEC）幾何優(yōu)化。Liu等采用簡(jiǎn)化共軛梯度法（SCGM）結(jié)合三維數(shù)值模擬，以采用BiTe半導(dǎo)體材料的兩級(jí)熱電發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象。[2]優(yōu)化半導(dǎo)體腿長(zhǎng)比和半導(dǎo)體橫截面積比。相比優(yōu)化前，輸出功率與發(fā)電效率分別提升了42.9% 與31.4%。

（2）兩級(jí)熱電制冷器（TEC）幾何優(yōu)化。Huang等采用共軛梯度法（CGM）結(jié)合三維耦合模型，以采用Bi2與Te3 半導(dǎo)體材料的兩級(jí)熱電制冷器為研究對(duì)象。[3]優(yōu)化半導(dǎo)體對(duì)數(shù)、腿長(zhǎng)比和半導(dǎo)體橫截面積比。結(jié)論是相比初始的幾何參數(shù)結(jié)構(gòu)，熱電器件冷端的吸熱量提高了214%。

（3）兩級(jí)熱電發(fā)電機(jī)（TEC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化。Sun等采用非支配排序遺傳算法（NSGA-II）結(jié)合三維有限元仿真，以采用Bi2與Te3 半導(dǎo)體材料的兩級(jí)熱電發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象。[4]優(yōu)化結(jié)構(gòu)，配置和負(fù)載電阻。結(jié)論是與初始設(shè)計(jì)參數(shù)相比，輸出功率、發(fā)電效率分別提升36.4%，31.21%，并且熵產(chǎn)率降低52.92%。

三、分析與展望

熱電器件所具有的可靠性高以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，讓熱電器件在諸多特殊的應(yīng)用場(chǎng)合具有優(yōu)勢(shì)。有望作為各種復(fù)雜能量轉(zhuǎn)換或能量管理系統(tǒng)的重要組成部件，如低品位能源的高效回收、微通道熱沉的強(qiáng)化冷端等。

然而，目前對(duì)于熱電器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究工作大多著眼與熱電單元層面。針對(duì)附加在各種復(fù)雜能量轉(zhuǎn)換或能量管理系統(tǒng)的熱電器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如汽車尾氣余熱回收、太陽(yáng)能聚光、燃料電池吸熱、結(jié)合微通道熱沉等具體場(chǎng)景的熱電器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)還有研究的空間。

針對(duì)特定應(yīng)用的多種因素變化，在多方面加大了優(yōu)化的復(fù)雜度。針對(duì)不同工況的變化，僅用固定的邊界條件研究出的熱電器件優(yōu)化設(shè)計(jì)是不適用的。

半導(dǎo)體熱電器件在具體應(yīng)用時(shí)，要考慮工況在時(shí)間上的變化。當(dāng)熱電器件用于汽車尾氣余熱發(fā)電時(shí)，汽車在啟動(dòng)、低速行駛、高速行駛等不同狀態(tài)，對(duì)應(yīng)著熱電器件的不同工況;當(dāng)熱電器件用于太陽(yáng)能光熱發(fā)電中，太陽(yáng)光照強(qiáng)度也會(huì)隨季節(jié)與天氣變化，產(chǎn)生隨時(shí)間變化的熱源強(qiáng)度。針對(duì)工況隨時(shí)間的變化，僅用固定的邊界條件研究出的熱電器件優(yōu)化設(shè)計(jì)是不適用的。

同時(shí)，在半導(dǎo)體熱電器件應(yīng)用的實(shí)際案例中，也應(yīng)當(dāng)考慮工況在空間上的非均勻分布。例如，當(dāng)熱電器件應(yīng)用在煙氣余熱回收時(shí)，靠近煙氣源頭的熱電器件轉(zhuǎn)換較多的熱量，使得整個(gè)熱電器件模塊的熱端溫度分布按照流動(dòng)方向梯度下降。同時(shí)熱電器件各個(gè)單元之間存在耦合關(guān)系，單個(gè)熱電單元的改變都將會(huì)影響溫度場(chǎng)的分布。因此，對(duì)于工況在空間上的變化，采用固定的邊界條件假定進(jìn)行熱電器件優(yōu)化設(shè)計(jì)也是不精確的。

對(duì)于在特定場(chǎng)合使用的半導(dǎo)體熱電器件的優(yōu)化，應(yīng)當(dāng)具體考慮。特定應(yīng)用工況的多種因素變化，大大加大了計(jì)算的復(fù)雜程度。因此可以考慮引入更先進(jìn)的智能算法來(lái)解決優(yōu)化問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉靜，李敬鋒.熱電材料的應(yīng)用及研究進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2004（08）：49-53.

[2]Liu Z，Zhu S，Ge Y，etal.Geometry optimization of two-stage thermoelectric generators using simplified conjugate-gradient method[J].Applied energy，2017，190：540-552.

[3]Huang Y X，Wang X D，Cheng C H，etal.Geometry optimization of thermoelectric coolers using simplified conjugate-gradient method[J].Energy，2013，59：689-697.

[4]Sun H，Ge Y，Liu W，etal.Geometric optimization of two-stage thermoelectric generator using genetic algorithms and thermodynamic analysis[J].Energy，2019，171：37-48.