高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于热管堆应用的级联式热电器件设计优化研究

唐思邈 连强 朱隆祥 张卢腾 孙皖 马在勇 潘良明

唐思邈, 连强, 朱隆祥, 张卢腾, 孙皖, 马在勇, 潘良明. 基于热管堆应用的级联式热电器件设计优化研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(3): 103-110. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.050037
引用本文: 唐思邈, 连强, 朱隆祥, 张卢腾, 孙皖, 马在勇, 潘良明. 基于热管堆应用的级联式热电器件设计优化研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(3): 103-110. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.050037
Tang Simiao, Lian Qiang, Zhu Longxiang, Zhang Luteng, Sun Wan, Ma Zaiyong, Pan Liangming. Design and Optimization of Cascaded Thermoelectric Generators Based on Heat Pipe Reactor Applications[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(3): 103-110. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.050037
Citation: Tang Simiao, Lian Qiang, Zhu Longxiang, Zhang Luteng, Sun Wan, Ma Zaiyong, Pan Liangming. Design and Optimization of Cascaded Thermoelectric Generators Based on Heat Pipe Reactor Applications[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(3): 103-110. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.050037

基于热管堆应用的级联式热电器件设计优化研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.050037
基金项目: 重庆市自然科学基金(CSTB2023NSCQ-BHX0189);国家自然科学基金(12305174)
详细信息
    作者简介:

    唐思邈(1993—),男,助理研究员,主要从事反应堆热工水力方面的研究,E-mail: simiao_tang@cqu.edu.cn

  • 中图分类号: TL334

Design and Optimization of Cascaded Thermoelectric Generators Based on Heat Pipe Reactor Applications

  • 摘要: 基于静默式热管冷却反应堆(简称热管堆)应用背景,结合热管堆能量转换系统几何结构及热工边界条件,利用有限元方法开展两段式和三段式级联热电器件(TEG)设计优化,研究级联式热电器件在不同热流密度条件下热电转换效率及输出功率等热电转换特性。研究结果表明,通过多段级联热电器件PN腿内部不同材料结构优化可以有效提升热电器件的热电转换效率,对于由方钴矿材料和半赫斯勒(HH)材料构成的两段式级联热电器件,在热流密度为162.5 kW/m2的热端边界条件下热电转换效率可以达到15.05%;对于由锑化铋材料、方钴矿材料和HH材料构成的三段式级联热电器件,在热流密度为90 kW/m2的热端边界条件下热电转换效率即可达到15.13%。

     

  • 图  1  热电材料在各温度区间下的热电优值

    Figure  1.  Figure of Merit Thermoelectric Materials Across Temperature Ranges

    图  2  两段式和三段式级联热电器件有限元模型

    Figure  2.  Simulation Models for Two-Stage and Three-Stage TEG

    图  3  三段式级联热电器件有限元模型网格敏感性分析

    Figure  3.  Mesh Sensitivity Analysis for Three-Stage TEG Model

    图  4  热管温差发电器实验装置

    Figure  4.  Experimental Device for Heat Pipe TEG

    图  5  热电系统输出功率和热电转换效率随热端温度变化

    Figure  5.  Output Power and Thermoelectric Conversion Efficiency of Thermoelectric System Vary with the Hot Side Temperature

    图  6  P腿CoSb3归一化高度对热电转换效率的影响

    Figure  6.  Effect of Normalized Height of P-leg CoSb3 on Conversion Efficiency

    图  7  热电器件内部温度随热流密度的变化

    Figure  7.  TEG Internal Temperature versus Heat Flux Density

    图  8  热电器件各连接层温度随P腿CoSb3归一化高度的变化

    Figure  8.  TEG Internal Interface Temperature Versus Normalized Height of P-leg CoSb3

    图  9  N腿CoSb3归一化高度对热电器件各连接层温度和热电转换效率的影响

    Figure  9.  Effect of Normalized Height of N-leg CoSb3 on TEG Internal Interface Temperature and Conversion Efficiency

    图  10  两段式级联热电器件在热端热流密度130 kW/m2工况下的温度及电势分布

    Figure  10.  Temperature and Potential Distribution of Two-stage TEG under a Hot-Side Heat Flux Density of 130 kW/m2

    图  11  两段式级联热电器件在不同热流密度条件下热电转换效率随外接电阻的变化

    Figure  11.  Two-stage TEG Conversion Efficiency Versus External Resistance under Different Heat Flux Conditions

    图  12  三段式级联热电器件在不同热流密度条件下输出功率和热电转换效率随外接电阻的变化

    Figure  12.  Three-stage TEG Output Power and Conversion Efficiency Versus External Resistance under Different Heat Flux Conditions

  • [1] 霍蒙,吴舸,袁宏,等. 温差发电技术研究综述[J]. 科技与创新,2020(10): 94-95,97.
    [2] 陈伟,梁燕,胡长军,等. 新型温差发电装置的结构设计[J]. 热能动力工程,2016, 31(3): 125-128.
    [3] ZHANG Q H, ZHOU Z X, DYLLA M, et al. Realizing high-performance thermoelectric power generation through grain boundary engineering of skutterudite-based nanocomposites[J]. Nano Energy, 2017, 41: 501-510. doi: 10.1016/j.nanoen.2017.10.003
    [4] SHI X L, ZOU J, CHEN Z G. Advanced thermoelectric design: from materials and structures to devices[J]. Chemical Reviews, 2020, 120(15): 7399-7515. doi: 10.1021/acs.chemrev.0c00026
    [5] XING Y F, LIU R H, SUN Y Y, et al. Self-propagation high-temperature synthesis of half-Heusler thermoelectric materials: reaction mechanism and applicability[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6(40): 19470-19478. doi: 10.1039/C8TA07411A
    [6] 张骐昊,柏胜强,陈立东. 热电发电器件与应用技术: 现状、挑战与展望[J]. 无机材料学报,2019, 34(3): 279-293.
    [7] CHU J, HUANG J, LIU R H, et al. Electrode interface optimization advances conversion efficiency and stability of thermoelectric devices[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 2723. doi: 10.1038/s41467-020-16508-x
  • 加载中
图(12)
计量
  • 文章访问数:  8
  • HTML全文浏览量:  6
  • PDF下载量:  1
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2024-04-25
  • 修回日期:  2024-08-13
  • 网络出版日期:  2025-06-09
  • 刊出日期:  2025-06-09

目录

    /

    返回文章
    返回