Analysis of Thermoelectric Generator by Finite Element Method

Performance Analysis and Discussion on the Thermoelectric Element Footprint for PV–TE Maximum Power Generation

“…where r is the electrical conductivity and S is the Seebeck coefficient.Ẽ is the electric field and is obtained from the electric scalar potential V as E ¼ ÀrV: ð4Þ The above differential Eqs. 1 and 2 can be transformed into finite element equations by approximating the unknown physical field variables, temperature T and electric potential V. Temperature and electric potential can be interpolated using the functions, 21 T…”

Technologies and Applications of Thermoelectric Devices: Current Status, Challenges and Prospects

“…8 Logical framework for the full-parameter optimization of a thermoelectric power generation module [40] 材料或结合面的强度甚至导致断裂; 3 2.2 界面接触性能 接触电阻和接触热阻是衡量界面结合质量的关 键参数。热电元件的界面接触电阻可基于四探针原 理测量, 而接触热阻的评价较为困难, 尚无可直接 测量的方法 [45] 。降低电极和热电材料间的接触电阻 和接触热阻的有效方法是在两者间引入适当的过渡 层(或称界面层)。表 1 列举了典型热电发电器件中 所选用的过渡层材料。 目前, 在低温 Bi 2 Te 3 基热电器件中通常采用电 镀 Ni 的方式制备过渡层, Ni 层厚度在 3~10 μm 左 右 [59][60] 。Buist 等 [59] 报道了未预镀镍的碲化铋基材料 与 Bi-Sn 合金焊料的接触电阻率约为 100~200 μΩ [79] 使用 Ti-Al 作 过渡层, 使得界面电阻率保持在 10 μΩ•cm 2 以下。 Fleurial 等 [80] 使用 Ti 作电极, Zr 作过渡层, 其接触电 阻率约为 19 μΩ•cm 2 。 Muto 等 [31] 使用 CoSi 2 和 Co 2 Si 分别作为 n 型和 p 型方钴矿的连接层, 其接触电阻 率在 2 μΩ•cm 2 左右。 在高温硅锗合金热电元件的研究中, NASA-PL 先后报道了多种界面结构和界面结合技术 [81][82][83][84] , 例 如 W/C/SiGe 元件初始接触电阻率低于 100 μΩ•cm 2 , 进一步利用 Sealed C 代替 C 作为过渡层制备的 W/Sealed C/SiGe 元件的初始接触电阻率仍保持相 同的低值; NASA-JPL 在 MHW-RTG 和 GPHS-RTG 中采用掺杂的 Si-Mo 合金作为电极与 SiGe 直接连接, 同样获得了较小的界面接触电阻。 另外, 1996 年, 日 本 Lin 等 [85] 报道了一种(Si-MoSi 2 )/SiGe 热电发电元 件, 虽具有良好的界面结构, 但接触电阻率高于 2000 μΩ•cm 2 。2000 年, Lin 等 [86] [88][89][90] 。国际上多个研究团队先后报道 了在有氧环境下 SKD 在 400 ℃以上会发生严重的 氧化(尤其是 p 型材料会粉碎性开裂)并最终导致器 件完全失效 [91][92][93] Fig. 9 Diagram of main failure modes of thermoelectric devices 成器件的关键部件(热电材料、电极、基板等)在长 期服役过程中将不可避免地产生性能劣变和功能损 伤, 尤其是器件中众多异质界面极易产生结构蜕 变、损伤甚至破坏。NASA-JPL 研究了 RTG 中使用 的 SiGe 和 PbTe 器件的服役特性, 公开报道了多任 务同位素温差电池(MMRTG)的输出功率年衰减率 约为 3%~5%/ [94] 。 与空间电源 RTG 相比, 工业余热、 汽车尾气废热发电等地面应用的服役环境更为复杂 和多变, 例如冷热交替的热循环会引起应力疲劳, 高湿空气对器件主要部件的氧化与腐蚀会造成器件 损伤。 目前, 已有部分工作运用有限元分析(FEM)开 展了单一外场条件下器件的静态或瞬态特性的模拟 仿真研究(如温度场、电势场、热流量分布等) [95][96][97][98][99][100][101] 。 另外, 近年来少数研究人员开始尝试热电器件中热 电结构耦合的研究 [102][103][104][105] 。例如, Gao 等…”

Modeling and Experimentation of New Thermoelectric Cooler–Thermoelectric Generator Module

“…The materials properties used for simulation and design parameters are in Tables 1 and 2, respectively; the value of Seebeck coefficient, electrical conductivity and thermal conductivity can be found in Reference [7]. The steady state finite element model computes the temperature and the electric potential values corresponding to spatial coordinates only; the governing equations that analyze the thermoelectric device behavior are the heat flow described in Equation (3), and the continuity of electric charge in Equation (4) [28], where both are coupled by constitutive Equations (5) and (6) as follow:…”