微型热电系统的多物理场耦合建模与性能优化研究

Over the last decade, the research and development of thermoelectric devices has attracted a great deal of attention because of their potential applications in green energy and energy management. As a whole, the thermoelectric devices can be classified into two different groups; one is thermoelectric generator and the other the thermoelectric cooler. The performance of the thermoelectric devices is closely dependent on the thermoelectric material property (defined by a non-dimensional parameter, figure of merit), the geometric structure, heat source conditions, and operation conditions. Thus, a complete mathematical model and corresponding optimization approach are needed to be developed at this stage with consideration of all the above factors. This project will investigate the electron and hole transport and the mechanisms of heat generation in nano-structured thermoelectric materials. On this basis, the three-dimensional, multi-physical field steady and dynamic mathematical models for the miniature thermoelectric element, module, and device will be established, respectively. Then, an inverse geometric optimization approach, which combines the thermoelectric model and the simplified-conjugate-gradient method, will be developed to optimize geometric structures for the thermoelectric element, module, and system with consideration of heat sources as constraint conditions. Finally, experimental investigations will be conducted to obtain the performances of miniature thermoelectric coolers and generators with various geometric structures under the various heat source conditions and operation conditions. These experimental data can be used not only to validate mathematical models but also to guide practical design for miniature thermoelectric devices.

随着新型热电材料的研制成功，热电转换作为一种可直接将热能转换为电能的技术重新得到研究者的广泛关注。本课题将重点开展纳米结构半导体材料中电子和空穴传递及其产热机理的研究，分别建立微型热电单元、热电器件及热电系统的三维、稳态和瞬态的多物理场耦合数学模型；发展基于反问题的热电单元、器件和系统的结构多参数优化方法，以热源（烟气的流量和温度以及微通道热沉冷却流体的流量及温度）作为约束条件，对热电器件的结构进行多参数同时优化研究，进一步提高微型热电系统的整体性能；开展相关实验测试，积累热电系统在不同结构、热源及操作条件下的制冷和发电性能基础实验数据，为模型的验证及新一代微型热电系统的优化设计提供参考依据。

热电器件是通过半导体材料热电效应实现热能与电能直接转换的技术，近年来受到广泛关注，开展相关基础理论研究，优化热电器件结构，提高其性能对于其实际应用十分必要。本项目的主要成果如下：（1）从热电材料传输机理出发，发展了通用的热电器件三维、稳态和瞬态多场耦合数学模型，模型耦合求解了半导体内部的温度场和电势场，并考虑了热电转换技术中涉及到的所有热电效应：赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳热及傅立叶热传导，相比传统热阻模型和一维热传导模型，精度和通用性均显著提高。（2）提出热电器件多参数、多目标反问题优化原理与方法，其由多场耦合模型（正向求解器）与简化的共轭梯度法（反向求解器）构成，通过发展接口技术，可实现热电器件操作参数与结构参数的多参数逆向优化设计。（3）利用上述方法，对热电制冷器和发电器开展了多参数和多目标优化，通过优化，制冷器的制冷量提升了1.99到10.21倍，而发电器的发电功率提高了2.69到8.93倍。（4）研究了热电制冷器的启动特性以及发电器的变工况特性，揭示出热传导滞后是热电器件制冷量或输出功率出现下冲或上冲现象的原因。（5）研究了两阶热电制冷器的电流输入方式及最优几何结构，发现采用分别式电流输入方式，并增加热阶热电单元数目和在热阶输入高电流可获得最大的制冷温差。（6）针对热电制冷器的超冷效应，建立了最佳脉冲波形的选择准则，提出了变截面设计及超冷/多阶热电联用设计，显著提高了制冷器件的最大制冷温差。（7）发展了以汽车尾气为热源，水冷热沉为冷源的半导体热电系统耦合模型，通过参数优化，提升了系统发电性能。发表论文27篇，其中SCI收录24篇，EI收录24篇（包括双检索），5篇论文入选ESI高被引论文；培养博士生1人，硕士生2人；项目负责人获国家杰出青年科学基金和中国工程热物理学会吴仲华优秀青年学者奖，受邀在中国工程热物理学会传热传质分会上做分会场主题报告1次；项目执行期间，负责人受邀担任了SCI收录的国际期刊Canadian Journal of Physics副主编（2016年至今），PLOS ONE编委（2014年至今），Membrane Water Treatment编委（2016年至今），Drying Technology客座编辑（2014年），Advances in Mechanical Engineering客座编辑（2014年）。