Cải thiện mật độ năng lượng TEG thông qua cấu trúc ống dẫn nhiệt tích hợp
Thiết bị TEG với các ống dẫn nhiệt tích hợp giúp cải thiện hiệu suất truyền nhiệt giữa nguồn lạnh/nhiệt và các mô-đun nhiệt điện. Các nhà nghiên cứu đã đưa cấu trúc ống dẫn nhiệt vào các thiết kế xếp chồng truyền thống, tận dụng tính dẫn nhiệt cao của ống dẫn nhiệt để thay đổi hướng truyền nhiệt, làm cho hướng xếp chồng phù hợp với hướng của dòng nhiệt, giúp tích hợp được nhiều mô-đun nhiệt điện hơn trong không gian hạn chế. Thông qua các thử nghiệm trên băng ghế dự bị, dưới dòng nhiệt 650 K và 50 ms-1, thiết bị TEG có thể tạo ra công suất đầu ra là 848,37 W và mật độ công suất ở cấp hệ thống cực cao là 48,22 WL-1, đạt được sự cải thiện đáng kể về mật độ năng lượng. Trong khi đó, nó có thể được mở rộng sang các tình huống ứng dụng khác nhau bằng cách thay đổi cấu trúc xếp chồng.
Cấu trúc TEG thể hiện một cấu hình lục giác tổng thể, được lắp ráp bằng cách xếp chồng các tấm đầu nóng, tấm đầu lạnh và mô-đun nhiệt điện giữa hai tấm. Mỗi tấm đầu nóng được trang bị 12 ống dẫn nhiệt đầu nóng, được bố trí so le giữa các lớp khác nhau để đảm bảo hiệu suất truyền nhiệt giữa các ống dẫn nhiệt và khí thải nhiệt độ cao; Mỗi tấm đầu lạnh được trang bị 12 ống dẫn nhiệt đầu lạnh bên trong, giúp truyền nhiệt đến các khuyết tật trong cấu hình lục giác để làm mát và cải thiện việc sử dụng không gian.
Các ứng dụng kỹ thuật TEG cần phải đáp ứng đồng thời hai yêu cầu: tạo ra đủ công suất đầu ra trong một không gian hạn chế và tránh áp suất ngược khí thải quá mức. Tác giả đã sử dụng kết hợp mô hình CFD và mô hình ghép nhiệt điện để tiến hành mô phỏng phần tử hữu hạn về hiệu suất nhiệt động và phát điện của TEG tích hợp ống dẫn nhiệt. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng máy phát nhiệt điện có thể tạo ra chênh lệch nhiệt độ đủ cao ở cả hai đầu của mô-đun nhiệt điện trong khi vẫn đảm bảo áp suất ngược khí thải nhỏ, với công suất đầu ra của một mô-đun duy nhất là 3,89 W.
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã tích hợp ống dẫn nhiệt với tấm phẳng đầu nóng/lạnh để tạo thành bộ phận đầu nóng/lạnh; Sau đó, bắt đầu từ lớp đầu tiên của tấm phẳng đầu nóng với cửa thoát khí, việc lắp ráp được thực hiện từng lớp và cuối cùng một nguyên mẫu hoàn chỉnh với 240 mô-đun nhiệt điện được sản xuất. Trong quá trình lắp ráp các bộ phận khác nhau, mỡ tản nhiệt được bôi lên bề mặt tiếp xúc để loại bỏ các khoảng trống. Thiết bị TEG được sản xuất theo phương pháp này có thể điều chỉnh các lớp xếp chồng theo các kịch bản ứng dụng khác nhau để tạo ra đủ công suất đầu ra và có phạm vi ứng dụng rộng rãi.
Nếu sử dụng vật liệu nhiệt điện hiệu suất cao hơn và mô-đun nhiệt điện có nhiệt độ hoạt động cao hơn, thiết bị TEG sẽ có thể chịu được sự truyền nhiệt lớn hơn, từ đó đạt được công suất đầu ra và mật độ năng lượng cao hơn.
