Изготовление и термоэлектрическое преобразование термоэлектрического бетонного кирпича с заглубленной одностежью Н

Том 13 научных докладов, номер статьи: 916 (2023) Цитировать эту статью

1392 Доступа

2 цитаты

Подробности о метриках

Для исследования эффекта снижения тепловых потерь за счет теплоизолятора и сопротивления термоинтерфейса за счет многослойной структуры с целью повышения эффективности термоэлектрического устройства был изготовлен термоэлектрический бетонный кирпич с использованием внутри одноногого термоэлектрического модуля CaMnO3 n-типа. На основе исходных материалов CaCO3 и MnO2 синтезированы термоэлектрические материалы CaMnO3 с получением одноногого модуля CaMnO3 n-типа. Термоэлектрический бетонный кирпич состоял из двух типов: кирпич I-го слоя (один слой бетонного теплоизолятора) и кирпич III-го слоя (три слоя разных бетонных изоляторов). Возникающая разница температур, электрический ток и напряжение на модуле CaMnO3 и термоэлектрическом бетонном кирпиче измерялись в замкнутой и разомкнутой цепях. Были измерены разница температур, распределение тепла и выходное напряжение при применении постоянных температур 100, 200 и 400 °С. Компьютерное моделирование метода конечных элементов (МКЭ) было проведено для сравнения с экспериментальными результатами. Тенденции разницы температур и выходного напряжения, полученные в результате экспериментального и компьютерного моделирования, хорошо согласовались. Результаты разности температур при температуре более горячей стороны 200 °С показали разницу температур в вертикальном направлении термоэлектрических бетонных кирпичей для обоих типов кирпича III слоя 172 °С и кирпича I слоя 132 °С. C больше, чем у модуля ТЭГ CaMnO3 без использования термобетонного изолятора 108 °C. Термоэлектрические бетонные кирпичи типа кирпича III слоя напряжением 27,70 мВ показали результаты по выходному напряжению выше, чем у кирпича I слоя 26,57 мВ и модуля ТЭГ CaMnO3 без использования термобетонного изолятора 24,35 мВ. Термоэлектрический бетонный кирпич типа кирпича III слоя имел более высокую электрическую мощность, чем кирпич I слоя и модуль ТЭГ CaMnO3. Кроме того, результаты показали способность термоэлектрического бетонного кирпича в модели кирпича III слоя вырабатывать электроэнергию на основе разницы температур. Был изготовлен и заложен на внешнюю поверхность печи бетонный кирпич ТЭГ из двуслойного бетона, покрывающий схему последовательно-параллельного соединения 120 модулей одноветвевого n-типа CaMnO3. При максимальной температуре горячей стороны бетонного кирпича 580 °C разница температур между более горячей и более холодной стороной кирпича составила 365 °C, а максимальное выходное напряжение было получено при 581,7 мВ.

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) — это устройства, вырабатывающие электроэнергию непосредственно из тепловой энергии. ТЭГ могут работать без механически движущихся частей и нехимических реакций, поскольку преимуществом ТЭГ является отсутствие загрязнения и глушения1. Применение ТЭГ включает выработку электроэнергии в космосе и отдаленных районах, утилизацию отходящего тепла в автомобилях и промышленности, микроэлектронику и датчики2, печи на биомассе3,4, солнечный термоэлектрический генератор (СТЭГ)5, текстиль6, краску7 и носимые термоэлектрические устройства8,9,10,11 .

Эффективность термоэлектрического преобразования ТЭГ (η) определяется как соотношение между выходной электрической мощностью (P), подаваемой в нагрузку, и скоростью подвода тепла (Q̇h), поглощаемого в горячем спае ТЭГ, с использованием следующего уравнения \( \eta = \frac{P}{{\dot{Q}_{h} }}\)12: Эффективность ТЭГ также рассчитывается в виде показателя качества материала по формуле13:

где ZT – безразмерный показатель качества; \(T_{H}\) и \(T_{C}\) — температура более горячей и более холодной стороны соответственно. Как показано в уравнении (1) КПД модулей ТЭГ зависит от ZT и разницы температур, поддерживаемой во время работы ТЭГ. За последние два десятилетия достигнут значительный прогресс в улучшении характеристик ZT термоэлектрических (ТЭ) материалов. Однако производительность ТЭ-модулей значительно ниже теоретического КПД из-за неэффективной оптимизации структуры ТЭГ-модуля, тепловых и электрических потерь13.