南科大刘玮书团队:在热电能量转换系统设计理论方面取得重要进展

近日,南方科技大学材料科学与工程系副教授刘玮书团队热电能量转换系统设计理论的探索中取得重要进展,相关成果以“System efficiency and power: the bridge between the device and system of a thermoelectric power generator”为题在能源环境领域顶级期刊Energy & Environmental Science 在线发表。

基于Seebeck效应的热电转换技术可以实现热能与电能之间的直接相互转换,在太空探索、物联网传感器自供能以及工业及生活余热利用等方面有着广阔的应用前景。对热电转换技术的研究主要分布在三个层面,分别是材料、器件和系统层面,其中热电材料作为热电转换技术的核心组成部分,得到了热电领域最为密切的关注。相应地,近年来热电材料的种类和性能均实现了日新月异的拓宽和提升。

南科大刘玮书团队《EES》:在热电能量转换系统设计理论方面取得重要进展

图1 典型的余热利用热电系统 (a) 系统示意图; (b) 系统热阻网络

有了高性能的热电材料,还要有好的器件和系统设计,才能真正实现热电转换技术的广泛应用。与材料层面的研究相比,器件和系统层面的研究涉及的专业知识领域更为宽广,而获得的关注则略显不足。当前得到研究人员广泛认可和应用的热电能量转换效率计算公式是由前苏联科学家Ioffe在上世纪50年代提出。该计算公式给出了热电效率与材料基础物性参数之间的关系,然而过于理想的外部条件限制了其在实际热电系统中的应用。对于面向实际应用场景的热电能量转换系统,尚缺少一套能够评价其输出性能的理论计算框架。在热电系统的设计和性能评价过程中,往往借助更为复杂的迭代或有限元计算方法开展工作,耗时耗力且在多物理场耦合数值模拟方面对研究人员提出较高的要求。

南科大刘玮书团队《EES》:在热电能量转换系统设计理论方面取得重要进展

图2 面向终端应用场景的热电系统设计理论框架

针对以上问题,团队从热电能量转换系统基本控制方程和实际热边界条件出发,推导出首套热电系统能量转换效率及输出功率显式理论计算公式,发现了热电系统输出性能与材料物性、器件尺寸以及外部换热条件之间的简洁关系,建立了连接材料、器件和系统三个层面之间的桥梁,为相关研究人员进行面向终端应用场景的系统正向设计以及已有系统的性能评价提供了准确快速的通道。

刘玮书团队博士后朱康为论文第一作者,刘玮书为唯一通讯作者,南方科技大学为论文第一单位。论文的参与作者还包括南科大-哈工大联培硕士生邓彪、张澎祥等。

该工作得到了SUSTech-MIT机械工程教育与研究中心、广创团队项目、深圳市科学技术基金和腾讯公益基金会“科学探索奖”项目的支持。

 

论文链接:

https://doi.org/10.1039/D0EE01640C

相关文章

微信