熱電器件優(yōu)化設(shè)計研究現(xiàn)狀及展望

何杭

摘 要：本文對熱電器件優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)研究做了綜合性的介紹。熱電器件具有無可動部件、穩(wěn)定性高、可靠性好等優(yōu)點，而熱電器件優(yōu)化設(shè)計有望改善其效率不高的局限性，因而相關(guān)的研究在近年來得到了迅速發(fā)展。本篇文章對熱電器件優(yōu)化設(shè)計——兩級熱電發(fā)電機、兩級熱電制冷器的幾何參數(shù)優(yōu)化為例做了介紹，并對其中采用的優(yōu)化方法做了說明。結(jié)合現(xiàn)階段熱電器件優(yōu)化設(shè)計研究的進展，給出了對于熱電器件優(yōu)化設(shè)計研究主題的展望，為今后考慮特定場合與復(fù)雜工況下熱電器件的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：熱電器件;優(yōu)化;熱電發(fā)電機;熱電制冷器

一、緒論

熱電器件具有固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器的特點，通?？梢员环譃閮深悾喊雽?dǎo)體熱電發(fā)電機基于塞貝克效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化成電能，半導(dǎo)體熱電制冷器基于珀耳帖效應(yīng)將電能用于制冷。由于基于半導(dǎo)體材料特性的能量轉(zhuǎn)換不需要流動介質(zhì)或可動部件，這使得熱電器件相比傳統(tǒng)的發(fā)電、制冷系統(tǒng)具有更好的可靠性和穩(wěn)定性，有很好地研究前景。[1]

熱電器件的性能與半導(dǎo)體熱電材料的發(fā)展密切相關(guān)，許多研究人員關(guān)注熱電材料的物理特性和熱電器件的制造技術(shù)以提高熱電器件的能量轉(zhuǎn)換性能。然而除了熱電材料和模塊的改進之外，熱電器件的優(yōu)化設(shè)計對于提高其性能同樣重要。

為了改善熱電器件能量轉(zhuǎn)換效率不高的局限性，有關(guān)熱電器件優(yōu)化設(shè)計的研究在近年來得到了迅速發(fā)展。

二、當(dāng)前研究現(xiàn)狀

近五年來，結(jié)合優(yōu)化算法對熱電器件設(shè)計進行多參數(shù)優(yōu)化的研究工作被公開。由于優(yōu)化過程對于熱電器件性能分析的準(zhǔn)確度有較高的要求，因此相關(guān)研究多采取變物性三維耦合模型以提高性能預(yù)測精度。幾個代表性的熱電參數(shù)優(yōu)化研究的介紹與分析如下。

（1）兩級熱電發(fā)電機（TEC）幾何優(yōu)化。Liu等采用簡化共軛梯度法（SCGM）結(jié)合三維數(shù)值模擬，以采用BiTe半導(dǎo)體材料的兩級熱電發(fā)電機為研究對象。[2]優(yōu)化半導(dǎo)體腿長比和半導(dǎo)體橫截面積比。相比優(yōu)化前，輸出功率與發(fā)電效率分別提升了42.9% 與31.4%。

（2）兩級熱電制冷器（TEC）幾何優(yōu)化。Huang等采用共軛梯度法（CGM）結(jié)合三維耦合模型，以采用Bi2與Te3 半導(dǎo)體材料的兩級熱電制冷器為研究對象。[3]優(yōu)化半導(dǎo)體對數(shù)、腿長比和半導(dǎo)體橫截面積比。結(jié)論是相比初始的幾何參數(shù)結(jié)構(gòu)，熱電器件冷端的吸熱量提高了214%。

（3）兩級熱電發(fā)電機（TEC）拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化。Sun等采用非支配排序遺傳算法（NSGA-II）結(jié)合三維有限元仿真，以采用Bi2與Te3 半導(dǎo)體材料的兩級熱電發(fā)電機為研究對象。[4]優(yōu)化結(jié)構(gòu)，配置和負載電阻。結(jié)論是與初始設(shè)計參數(shù)相比，輸出功率、發(fā)電效率分別提升36.4%，31.21%，并且熵產(chǎn)率降低52.92%。

三、分析與展望

熱電器件所具有的可靠性高以及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，讓熱電器件在諸多特殊的應(yīng)用場合具有優(yōu)勢。有望作為各種復(fù)雜能量轉(zhuǎn)換或能量管理系統(tǒng)的重要組成部件，如低品位能源的高效回收、微通道熱沉的強化冷端等。

然而，目前對于熱電器件結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的研究工作大多著眼與熱電單元層面。針對附加在各種復(fù)雜能量轉(zhuǎn)換或能量管理系統(tǒng)的熱電器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如汽車尾氣余熱回收、太陽能聚光、燃料電池吸熱、結(jié)合微通道熱沉等具體場景的熱電器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計還有研究的空間。

針對特定應(yīng)用的多種因素變化，在多方面加大了優(yōu)化的復(fù)雜度。針對不同工況的變化，僅用固定的邊界條件研究出的熱電器件優(yōu)化設(shè)計是不適用的。

半導(dǎo)體熱電器件在具體應(yīng)用時，要考慮工況在時間上的變化。當(dāng)熱電器件用于汽車尾氣余熱發(fā)電時，汽車在啟動、低速行駛、高速行駛等不同狀態(tài)，對應(yīng)著熱電器件的不同工況;當(dāng)熱電器件用于太陽能光熱發(fā)電中，太陽光照強度也會隨季節(jié)與天氣變化，產(chǎn)生隨時間變化的熱源強度。針對工況隨時間的變化，僅用固定的邊界條件研究出的熱電器件優(yōu)化設(shè)計是不適用的。

同時，在半導(dǎo)體熱電器件應(yīng)用的實際案例中，也應(yīng)當(dāng)考慮工況在空間上的非均勻分布。例如，當(dāng)熱電器件應(yīng)用在煙氣余熱回收時，靠近煙氣源頭的熱電器件轉(zhuǎn)換較多的熱量，使得整個熱電器件模塊的熱端溫度分布按照流動方向梯度下降。同時熱電器件各個單元之間存在耦合關(guān)系，單個熱電單元的改變都將會影響溫度場的分布。因此，對于工況在空間上的變化，采用固定的邊界條件假定進行熱電器件優(yōu)化設(shè)計也是不精確的。

對于在特定場合使用的半導(dǎo)體熱電器件的優(yōu)化，應(yīng)當(dāng)具體考慮。特定應(yīng)用工況的多種因素變化，大大加大了計算的復(fù)雜程度。因此可以考慮引入更先進的智能算法來解決優(yōu)化問題。

參考文獻：

[1]劉靜，李敬鋒.熱電材料的應(yīng)用及研究進展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2004（08）：49-53.

[2]Liu Z，Zhu S，Ge Y，etal.Geometry optimization of two-stage thermoelectric generators using simplified conjugate-gradient method[J].Applied energy，2017，190：540-552.

[3]Huang Y X，Wang X D，Cheng C H，etal.Geometry optimization of thermoelectric coolers using simplified conjugate-gradient method[J].Energy，2013，59：689-697.

[4]Sun H，Ge Y，Liu W，etal.Geometric optimization of two-stage thermoelectric generator using genetic algorithms and thermodynamic analysis[J].Energy，2019，171：37-48.