מכשירים הידרואלקטריים הם ממירי אנרגיה מוצקים שממירים באופן ישיר אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית ולהיפך, ללא העברת חלקים או נוזל עבודה.היכולת שלהם לרתום חום פסולת, לספק קירור מקומי, ופועלים בשקט הופכת אותם אטרקטיביים עבור יישומים החל מכיוונים של פסולת רכב התאוששות לחום נייד ובדיקות חלל.

מימון של מכשירים נורמטיביים

התקנים הירומאלקטריים מסתמכים על שתי תופעות פיזיות משלימות: אפקט ה-Seebeck והאפקט הפלייל (FLT:0Seebeck אפקט צומת 1) מתאר את הדור של מתח חשמלי כאשר הבדל טמפרטורה קיים על פני חומר תרמואלקטרי.

מודול תרמואלקטרי טיפוסי מורכב ממספר זוגות של רגליים של p-type ו-n-type למחצה מוליכים המחוברים חשמלית בסדרה ומדמוס במקביל בין שתי צלחות קרמיקה.הרגליים בדרך כלל עשויים מ- bismuth Telluride (Bi2Te3), מוביל את ה-ERODide (PbTe), או סיליקון-genium (SiGe) ⁇ s, כל אחד מהם מותאם לטמפרטורות שונות של תרכובת, אך לא דורש גם תכונות מתכתיות מדויקות של חומר זה דורשות, אלא גם על גבי המולקולות אלה.

עקרונות התרמודינמיקה למודל

המודלים התרמודינמיקה למכשירים תרמואלקטריים בנויים על החוקים הבסיסיים של התרמודינמיים ותאוריית התחבורה.החוק הראשון של התרמודינמיים, או שימור האנרגיה, שולט על מאזן החום בתוך המכשיר.החוק השני מטיל מגבלות על יעילות והפסדים בלתי הפיכים כגון חימום Joule והתנהלות תרמית. in a thermoelectric גנרטור, חום מסופק בצומת חם, חלק של חום זה הוא מופעל בטווח הארוך ביותר, אך ורק לתהליכים קרים, אך הוא מופעל על ידי הפחתת יעילות מוגבלת, אך ורק לאחר מכן, אך ורק לאחר מכן, הוא מופעל על ידי הפחתת יעילותו של המכונית.

המשוואות השולטות עבור אלמנט תרמואלקטרי בתנאים יציבים של המדינה משלבות את חוק ההתנהגות החום של Fourier, חימום Joule, ואת ההשפעות Seebeck ופלייר.

(ב) ⁇ J2 - T JDS/dx= 003

(ב) ,(א) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

המונחים: key thermoelectric Parameters

שלושה תכונות חומריות עיקריות קובעות את הביצועים של חומר תרמואלקטרי:

  • (ב) ⁇ :0) ראובק יעיל (S)FLT: המתח שנוצר לפי הבדלי טמפרטורה יחידה על פני החומר, נמדד ב- μV / K. ערך מוחלט גבוה הוא רצוי עבור הדור של הכוח והקירור.
  • (ב) ⁇ :0) מוליכות אלקטרו-אורתית ( ⁇ ) ⁇ :1: היכולת של החומר לבצע זרם חשמלי, בדרך כלל נמדדת ב- S/m. גבוהה מוליכות חשמלית מפחיתה את ההפסד הומימי.
  • (ב) ⁇ :0) מוליכות ( ⁇ ) ⁇ :1; השיעור שבו החום מתבצע באמצעות החומר, נמדד ב W /(mK) מוליכות תרמית נמוכה שומר על טמפרטורות גדולות על פני המכשיר, שיפור יעילות.

שלושת הפרמטרים הללו קשורים זה לזה באמצעות המבנה האלקטרוני וההובלת הפוני של החומר.אופטימיזציה של נכס אחד לעתים קרובות מחיתה אחר, יצירת סחר ידוע-off.לדוגמה, ריכוז נושאי (דופינג) יכול להעלות הן מוליכות חשמלית והן את ה-Seebeck coefficient עד נקודה, אבל זה גם מגביר את מוליכות תרמית אלקטרונית באמצעות חוק Wiedemann-Franz.

שם מקור: Merit ZT

הביצוע הכולל של חומר תרמואלקטרי מתבטא על ידי דמות חסרת מימד של ערך, (FLT:0ZTreaFLT:1 = (S2 ⁇ / ⁇ ) FLT:2TreaFLT 3: 3, שבו FLT:4Tig: 5 הוא הטמפרטורה המוחלטת.

המודלים התרמודינמיקה חייבים לשלב באופן מדויק ZT ואת התלות הטמפרטורה שלה כדי לחזות יעילות המכשיר.היעילות המקסימלית של גנרטור תרמואלקטרי ניתנת על ידי:

(FLT:0) ⁇ max= (T h - T c) / t h × ( ⁇ (1+ZT avg) - 1) / ( ⁇ (1+ZT avg) + T c/T h)OVAFLT:1

(ב) ,0) ,(T hhhhFLT:1 ו- (FLT:2T cigtureFLT 3: 3) הם טמפרטורות הצד החמות והקורות, ו-FLT:4ZT avgigFLT:5 הוא הדמות הממוצעת של הערך על פני טווח הטמפרטורה.com מראה כי יעילות עם ZT, אך מדגישה גם את תפקידה של Carnot (T h Th h Th Th Th T)

מודלים

פיתוח מודל תרמודינמי צפוי למכשיר תרמואלקטרי אמיתי דורש איזון דיוק, עלות חישובית והנתונים הזמינים.שלוש קטגוריות עיקריות של גישות דוגמנות משמשות בדרך כלל: מודלים אנליטיים, סימולציות מספריות, מודלים אמפיריים או מונעים נתונים.

מודלים אנליטיים

מודלים אנליטיים מבוססים על פתרונות סגורים של משוואות השולטות תחת הנחות מפשטות. הנחות נפוצות כוללות תכונות חומר קבוע (temperature-independent S, ⁇ , ⁇ , ⁇ ), התנגדות מגע רשלנית, וזרימת חום חד-ממדית אחת.המודל הקלאסי עבור זוג תרמואלקטרי אחד מתייחס לכל רגל כמו חומר הומוגני עם תכונות, הנוכחי, חום, מתח, ולאחר מכן יכול להיות יעיל ביותר כדי להעריך את המגמות מהירות כגון תכונות אופטיות או תכונות אופטיות.

עם זאת, מודלים אנליטיים לעתים קרובות נכשלים ללכוד את ההשפעות הלא לינאריות שנגרמו על ידי תכונות תלות טמפרטורה, תומסון חימום או התפשטות חום תלת-ממדית.לדוגמה, ה-Seebeck coefficient של חומרים רבים שינויים באופן משמעותי עם טמפרטורה, והזנחה זה יכול להוביל שגיאות של 10-20% בתפוקה כוח חזוודה.למרות מגבלות אלה, מודלים אנליטיים נשארים בעלי ערך עבור תכנון בשלב מוקדם ומחקרים parametricיים, במיוחד כאשר בשילוב עם גורמי תיקון נגזרים מניסויים או מניסויים מפורטים או מפורטים יותר.

המונחים: Numerical Simulations

שיטות נומריות, במיוחד דינמיקה של נוזל:0 (FEA) ניתוח אלמנט יסוד ניוטון (FLAC) 1 ו-FLT:2computational נוזל דינמי (CFD) GraveFLT 3, מאפשרות פתרון משוואות תרמואלקטריות מלאות בגיאומטריה מורכבת עם תכונות טמפרטורה.

  • חום תלת מימדי וזרם נוכחי
  • תכונות חומרים תלויות טמפרטורה (התרחבו מהנתונים הנמדדים)
  • התנגדות ליצירת קשר (חשמלית ומדמית) בממשקים
  • תומסון ו- Peltier אפקטים בצומת
  • קרינה תרמית ותנאי גבול
  • Multiphysics הפיכה עם זרימת נוזלים (למשל, בחילופי חום)

הסגירה העיקרית של סימולציות מספריות היא העלות החישובית.מודל תלת-ממדי מפורט של מודול עם עשרות רגליים יכול לדרוש שעות של זמן חישובי, מה שהופך אותו פחות מתאים אופטימיזציה בזמן אמת או גורפת פרמטרי בקנה מידה גדול.עם זאת, סימולציות נאמנות גבוהה הן הכרחיות עבור אימות מודלים אנליטיים, חקירת מצבי כישלונות (למשל, לחץ תרמי), ועיצוב אבטיפוס עבור יישומים בעלי ביצועים גבוהים.

מודלים אמפיריים ו-Data-Driven

מודלים אמפיריים נגזרים מאפיון ניסיוני של מכשירים אמיתיים.על ידי מדידת התגובה החשמלית והרמימית בתנאים מבוקרים, מהנדסים יכולים להתאים לתפקודים פולינומיים או רציונליים פשוטים כדי לתאר את הביצועים (למשל, כוח לעומת טמפרטורה, מתח לעומת הזרם). מודלים אלה מדויקים בטווח הניסוי והם יעילים חישוביים.הם משמשים באופן נרחב בסימולציות ברמת המערכת (למשל, כאשר הפיזיקה הפנימית של המכשיר התרמואלקטרי היא פחות חשובה מההתנהגות הניבית שלו.

לאחרונה, שיטות של FLT:0 Hybridmachine Learning (ML)FigalLT:1 , הופיעו כמשלים חזקים למודלים המבוססים על פיזיקה.רשתות נילי, תמיכה במכונות וקטורת תהליכים גאוסיים, ו-Gussian תהליך רגרסיה יכול ללמוד את היחסים המורכבים בין תנאי הפעלה (תקופות, עומסים, שערי זרימה נוכחיים, זרם) וביצועים של נתונים ניסיוניים או גבוהים של נתונים המונעים על ידי נתונים אלה יכולים להשיג דיוק אפילו לא ברור, אך לא ניתן לשלב באופן מלא, אך ורק כאשר הם יכולים להיות מסוגלים לשלב את רמת דיוקים באופן מלא.

חיזוי ביצועים ואופטימיזציה

ברגע שמודל תרמודינמי מפותח, ניתן להשתמש בו כדי לחזות את הביצועים של מכשיר תרמואלקטרי בתנאים תפעוליים שונים ולייעל את העיצוב שלו.מדדי ביצועים מרכזיים כוללים פלט חשמל, יכולת משאבת חום (לקררים), יעילות הביצועים, ויעילות המרה תרמית-ל-חשמלית.

יעילות וכוח בחוץ

עבור דור כוח, היעילות היא היחס של כוח חשמלי המסופק לטעון את החום נספג בצד החם. פלט הכוח תלוי בהתנגדות העומס, מתח ה-Seebeck, ואת ההתנגדות הפנימית של המכשיר. ההתנגדות העומס האופטימלי עבור כוח מקסימלי שווה להתנגדות הפנימית, בעוד האופטימיום עבור יעילות מקסימלית הוא מעט גבוה יותר.מודלים המודינמיקה יכולים לחדד אלה את האופטימיים ולנבא את עקומת ה-V של המודול של ה- PV.

עבור קרירים תרמואלקטריים, המקדם של ביצועים (COP) הוא היחס של חום שנלקח מן הצד הקר לקלט חשמל. COP יורד ככל שהשינוי הטמפרטורה עולה.מודלים לחזות את הטמפרטורה המקסימלית ירידה אי-השגה ואת הזרם הממקסם COP.

ניהול ארס

ניהול תרמי הוא לעתים קרובות הגורם המגביל ביישומים בעולם האמיתי.הצד החם של מודול תרמואלקטרי חייב להיות מגניב ביעילות לשמור על טמפרטורה גדולה ⁇ ; אחרת, ביצועים מדרגות בחדות.מודלים חייבים לשלב את ההתנגדות התרמית של כיור חום, צלחות קרות וכל לולאות נוזל. במערכות התאוששות חום פסולת, מקור החום עשוי להיות בעל יכולת תרמית סופית וירידה כמו חום הוא תמצית, הדורש ניתוח מתמשך, כמו גם אפקט זמני, כמו גם השפעה מתקדמת.

דרישות לקביעת מודלים

מודלים תרמודינמיקה Accurate מניעים חדשנות במספר אזורי יישום מרכזיים:

  • (בקיצור:0Waste RecoverytureFLT:1): ב- Auto Exhaust, פרווה תעשייתית ומרכזי נתונים, גנרטורים תרמואלקטריים יכולים להמיר חום פסולת נמוך לחשמל.מודלים לעזור להתאים את המכשיר לפרופיל התרמי של זרם הממצה ואופטימיזציה של הגאומטריה כדי למקסם את הפלט ללא לחץ יתר.
  • (FLT:0) CoolingofLT:1: הקרקרים אנדרומואלקטריים משמשים במקררים ניידים, קריינים יין, ומכשירים רפואיים (למשל, דיודות לייזר קירור) מודלים לחזות את יכולת הקירור ו-COP כפונקציות של טמפרטורה מכוננת, הבדל טמפרטורה נדרש, ועוצמה קלט, המאפשר למעצבים לבחור את גודל המודול המתאים ואת הכיור חום.
  • (FLT:0)Space and Remote PowerFLT:1: גנרטורים תרמואלקטריים רדיואיזוטופים (RTGs) הפעילו משימות נאס"א רבות, כולל וויאג'ר וקליוסיות.הסביבה הקיצונית ותקופות חיים ארוכות דורשות מודלים נאמנות גבוהה אשר אחראים לנזקי קרינה, השפלה חומרית, ורכיבי אופניים תרמיים.
  • (FLT:0) מכשירים בלתי ניתנים להחלפה 1:1: גנרטורים תרמואלקטריים המופעלים על ידי הגוף עבור עונדים דורשים מודלים אשר אחראים על ההבדלים בטמפרטורה קטנה (1-5 K) ואת ההתנגדות התרמית של עור אנושי ובגדים. אופטימיזציה מתמקדת לעתים קרובות על מנת למקסם את הכוח ליחידה באזור עובי מינימלי.

כיוונים עתידיים

תחום הדוגמנות התרמואלקטריות מתקדם במהירות, מונע על ידי הצורך ביעילות גבוהה יותר וזמינות של כלים חישוביים חדשים.

חומרים מתקדמים ומודלים רב-ממדיים

חומרים תרמואלקטריים כגון תרכובות חצי-הית, גבישים סניאקים, והיברידיים אורגניים-איורגניים מציעים ערכי ZT מעל 2 בטמפרטורות מסוימות.עם זאת, תכונותיהם הן לעתים קרובות aisotropic ורגישות לטמפרטורה. מולטימדיה מודלים המקשרים בין FLT:0ab inioFLT:1 חישובים (תיאוריה פונקציונלית ניזונים) עם מודלים מחושבים של חומרים ®DIQ) כדי לחזות את הביצועים החדשים של LT2.

אינטגרציה למידת מכונות

למידת מכונה אינה רק שימוש עבור מודלים חלופיים, אלא גם עבור עיצוב הפוך: בהתחשב ביצועי יעד (למשל, ממוצע גבוה ZT על טווח טמפרטורה רחב), מודל ML יכול להציע יצירות חומריות אופטימליות רמות מינון.מודלים יצרניים יכולים להציע מבנים גבישיים חדשים עם מוליכות תרמית.שלב ML עם סימולציות המבוססות על פיסיקה יוצר מסגרת אופטימיזציה חזקה שיכול להאיץ על ידי תגליות של גודל.

אינטגרציה דיגיטלית ושילוב מערכת

בפרקטיקה תעשייתית, מכשירים תרמואלקטריים הם לעתים קרובות מרכיבים של מערכות גדולות יותר (למשל, ניהול תרמי של רכב, בניית HVAC) טכנולוגיה תאום דיגיטלית - העתק וירטואלי של המערכת הפיזית המעדכנת בזמן אמת - עומדים על מודלים מהירים ומדויקים של תרמודינמיקה.

מסקנה

פיתוח מודלים תרמודינמיים למכשירים תרמואלקטריים הוא אתגר רב תחומי המשלב פיזיקה מוצקה של המדינה, העברת חום, הנדסה חשמלית ומדע נתונים. ממשוואות אנליטיות פשוטות ועד סימולציות אלמנט סופיות ותחליפי מכונות, כל גישה דוגמנות יש את מקומה בצנרת העיצוב והאופטימיזציה. כמו חומרים עם דמויות גבוהות יותר של שיטות ביצועים חישוביות, מודלים אלה יהפכו תמיד יותר חיזוי, המאפשרים טכנולוגיות תרמואלקטריות לשחק תפקיד מרכזי זה הנדסה יעילה יותר ומהנדסים ניהול ביצועים מתקדמים.