近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系副教授劉瑋書團(tuán)隊(duì)在熱電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的探索中取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“System efficiency and power: the bridge between the device and system of a thermoelectric power generator”為題在能源環(huán)境領(lǐng)域頂級(jí)期刊Energy & Environmental Science?在線發(fā)表。
基于Seebeck效應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)熱能與電能之間的直接相互轉(zhuǎn)換，在太空探索、物聯(lián)網(wǎng)傳感器自供能以及工業(yè)及生活余熱利用等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究主要分布在三個(gè)層面，分別是材料、器件和系統(tǒng)層面，其中熱電材料作為熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的核心組成部分，得到了熱電領(lǐng)域最為密切的關(guān)注。相應(yīng)地，近年來熱電材料的種類和性能均實(shí)現(xiàn)了日新月異的拓寬和提升。
圖1 典型的余熱利用熱電系統(tǒng)?(a) 系統(tǒng)示意圖; (b) 系統(tǒng)熱阻網(wǎng)絡(luò)
有了高性能的熱電材料，還要有好的器件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，才能真正實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的廣泛應(yīng)用。與材料層面的研究相比，器件和系統(tǒng)層面的研究涉及的專業(yè)知識(shí)領(lǐng)域更為寬廣，而獲得的關(guān)注則略顯不足。當(dāng)前得到研究人員廣泛認(rèn)可和應(yīng)用的熱電能量轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Ioffe在上世紀(jì)50年代提出。該計(jì)算公式給出了熱電效率與材料基礎(chǔ)物性參數(shù)之間的關(guān)系，然而過于理想的外部條件限制了其在實(shí)際熱電系統(tǒng)中的應(yīng)用。對(duì)于面向?qū)嶋H應(yīng)用場(chǎng)景的熱電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，尚缺少一套能夠評(píng)價(jià)其輸出性能的理論計(jì)算框架。在熱電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)過程中，往往借助更為復(fù)雜的迭代或有限元計(jì)算方法開展工作，耗時(shí)耗力且在多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬方面對(duì)研究人員提出較高的要求。
圖2 面向終端應(yīng)用場(chǎng)景的熱電系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論框架
針對(duì)以上問題，團(tuán)隊(duì)從熱電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)基本控制方程和實(shí)際熱邊界條件出發(fā)，推導(dǎo)出首套熱電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率及輸出功率顯式理論計(jì)算公式，發(fā)現(xiàn)了熱電系統(tǒng)輸出性能與材料物性、器件尺寸以及外部換熱條件之間的簡(jiǎn)潔關(guān)系，建立了連接材料、器件和系統(tǒng)三個(gè)層面之間的橋梁，為相關(guān)研究人員進(jìn)行面向終端應(yīng)用場(chǎng)景的系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)以及已有系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)提供了準(zhǔn)確快速的通道。
劉瑋書團(tuán)隊(duì)博士后朱康為論文第一作者，劉瑋書為唯一通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。論文的參與作者還包括南科大-哈工大聯(lián)培碩士生鄧彪、張澎祥等。
該工作得到了SUSTech-MIT機(jī)械工程教育與研究中心、廣創(chuàng)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、深圳市科學(xué)技術(shù)基金和騰訊公益基金會(huì)“科學(xué)探索獎(jiǎng)”項(xiàng)目的支持。
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