Исследование интегральных характеристик охлаждающей системы с термоэлектрическим модулем
Аннотация
Термоэлектрический модуль (ТЭМ) — устройство, c помощью которого можно реализовать как термоэлектрическое охлаждение за счет эффекта Пельтье, так и генерацию электричества с помощью эффекта Зеебэка. В первом случае происходит прямое преобразование энергии из электрической в тепловую, а во втором обратное — из тепловой в электрическую. В связи с недавними успехами в создании новых термоэлектрических наноструктурных материалов со значительно лучшими по сравнению с объемными материалами характеристиками, возрос интерес к термоэлектрическому охлаждению и генерации электричества. При разработке термоэлектрических систем применяются специальные инженерные методики расчета. Однако они успешно используются только для некоторых простых конструкций. Если конструкция термоэлектрического устройства нетривиальна, то приходится добавлять некоторые приближения для конструкции, что сильно снижает точность результата. Инженерные методики расчета параметров и интегральных характеристик ТЭМ имеют большое число упрощений и недостатков, из-за этого расчетные интегральные характеристики ТЭМ могут существенно отличаться от реальных. В области термоэлектрических устройств численное моделирование необходимо для решения различных задач, в том числе для изучения и оценки перспективных конструкций термоэлектрических приборов. Представлена математическая модель охлаждающей системы с термоэлектрическими модулями. Получено численное решение уравнений сопряженного теплообмена, описывающих работу системы охлаждения. Показано, что на параметры работы ТЭМ влияет множество факторов, которые важно учитывать при расчете распределения температуры, а интегральные параметры работы ТЭМ в реальных условиях могут значительно отличаться от рассчитанных по стандартным инженерным методикам. Благодаря внедрению строгого математического моделирования представленная модель позволяет рассчитать параметры и интегральные характеристики ТЭМ в условиях их реального функционирования.
Литература
2. Venkatasubramanian R., Siivola E., Colpitts T. Thin-film Thermoelectric Devices with High Room-temperature Figures of Merit // Nature. 2001. V. 413 (6856):597—602.
3. Biswas K., Blum I., Hogan T. High-performance Bulk Thermoelectrics with All-scale Hierarchical Architectures. Nature. 2012. V. 489:414—418.
4. Funahashi R., Matsubara I., Ikut H. An Oxide Single Crystal with High Thermoelectric Performance in Air // Jpn. J. Appl. Phys. 2000. V. 39:1127.
5. Li-Dong Zhao e. a. Ultralow Thermal Conductivity and High Thermoelectric Figure of Merit in SnSe Сrystals // Nature. 2014. V. 508:373—377.
6. Sandoz-Rosado E., Stevens R.J. Experimental Characterization of Thermoelectric Modules and Comparison with Theoretical Models for Power Generation // J. Electronic Materials. 2009. V. 38. No. 7:1239—1244.
7. Jieyi Long, Memik S.O., Grayson M. Optimization of an On-chip Active Cooling System Based on Thin-film Thermoelectric Coolers // Proc. Electrical Eng. And Computer Sci. Conf. Dresden, 2010:117—122.
8. Wang P., Bar-Cohen A., Yang B. Analytical Modeling of Silicon Thermoelectric Microcooler // J.Appl. Phys. 2006. V. 100:014501.
9. Bjork R., Christensen D.V., Eriksen, D., Pryds N. Analysis of the Internal Heat Losses in a Thermoelectric Generator // Intern. J. Thermal Sci. 2014. V. 85:12—20.
10. Булат Л.П., Бузин Е.В. Термоэлектрические охлаждающие устройства. СПб.: СПбГУНиПТ, 2001.
---
Для цитирования: Волгин В.С., Гиневский А.Ф. Исследование интегральных характеристик охлаждающей системы с термоэлектрическим модулем // Вестник МЭИ. 2018. № 4. С. 8—16. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-4-8-16.
#
1. Vineis C.J., Shakouri A., Majumdar A. Nanostructured Thermoelectrics: Big Efficiency Gains from Small Features. Adv. Mater. 2010;22:3970—3980.
2. Venkatasubramanian R., Siivola E., Colpitts T. Thin-film Thermoelectric Devices with High Room- temperature Figures of Merit. Nature. 2001;413 (6856):597—602.
3. Biswas K., Blum I., Hogan T. High-performance Bulk Thermoelectrics with All-scale Hierarchical Archi- tectures. Nature. 2012;489:414—418.
4. Funahashi R., Matsubara I., Ikut H. An Oxide Single Crystal with High Thermoelectric Performance in Air. Jpn. J. Appl. Phys. 2000;39:1127.
5. Li-Dong Zhao e. a. Ultralow Thermal Conductivity and High Thermoelectric Figure of Merit in SnSe Сrystals. Nature. 2014;508:373—377.
6. Sandoz-Rosado E., Stevens R.J. Experimental Characterization of Thermoelectric Modules and Comparison with Theoretical Models for Power Generation. J. Electronic Materials. 2009;38;7:1239—1244.
7. Jieyi Long, Memik S.O., Grayson M. Optimization of an On-chip Active Cooling System Based on Thin- film Thermoelectric Coolers. Proc. Electrical Eng. and Computer Sci. Conf. Dresden, 2010:117—122.
8. Wang P., Bar-Cohen A., Yang B. Analytical Modeling of Silicon Thermoelectric Microcooler . J. Appl. Phys. 2006;100:014501.
9. Bjork R., Christensen D.V., Eriksen, D., Pryds N. Analysis of the Internal Heat Losses in a Thermoelectric Generator . Intern. J. Thermal Sci. 2014;85:12—20.
10. Bulat L.P., Buzin E.V. Termoelektricheskie Ohlazhdayushchie Ustroystva. SPb.: SPbGUNiPT, 2001. (in Russian).
---
For citation: Volgin V.S., Ginevsky A.F. Studying the Integral Characteristics of a Cooling System Equipped with a Thermoelectric Module. MPEI Vestnik. 2018;4:8—16. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-4-8-16.
