在热电模块中分离效率与可靠性：一种采用边缘绝缘和柔性导体的结构策略

《Energy》：Decoupling efficiency and reliability in thermoelectric modules: A structural strategy with edge insulation and compliant conductors

本研究设计了一种新型热电模块（TEM），通过边缘热绝缘体和合规热导体的集成，有效分离了热电转换效率与机械可靠性。三维数值模型验证了该设计在373.15 K热端温度下效率达5.71%，较传统TEM提升0.23%，并降低平均 von Mises 应力至84.04 MPa，机械可靠性显著提高。

　　

庄淼|孟向宁|梁博阳

东北大学多金属矿生态冶金国家重点实验室，中国沈阳，110819

摘要

热电模块（TEMs）在固态废热回收方面具有巨大潜力，但其实际应用受到转换效率与机械可靠性之间基本权衡的限制。传统TEMs在高温梯度下存在横向热泄漏和严重的界面热应力问题。为了解决这些问题，本研究设计了一种新型TEM，成功实现了效率与结构可靠性的分离。新型TEM集成了边缘隔热材料以抑制寄生横向热损失，并在两端采用了柔性导热材料以减小接触热阻并作为机械应力缓冲器。建立了一个三维数值模型并通过实验验证，系统分析了电机械耦合效应。结构优化使得热流高度定向，从而均匀了界面电流密度并显著减轻了热变形。结果表明，在热端温度为373.15 K时，新型TEM的最大转换效率达到了5.71%，比传统TEM高出0.23%。此外，该设计通过将平均冯·米塞斯应力降低15.5%至84.04 MPa，显著提高了机械可靠性，结构优值从5.15提升至5.30。加速热老化测试进一步证实了这种可靠性，新型TEM仅有6个热电元件脱落，而传统TEM平均有24个。

引言

由于人口增长和工业化驱动，全球对能源的需求不断上升，迫切需要可持续且高效的能源转换技术[[1], [2], [3]]。化石燃料仍主导着全球能源格局，但其燃烧导致大量温室气体排放，加剧了气候变化和环境退化[[4,5]]。同时，据估计全球消耗的一次能源中有超过60%以废热的形式散失在各个领域，包括工业过程、交通运输和居民生活[[6], [7], [8]]。因此，开发能够回收这些低品位废热的技术已成为提高能源效率和减少碳足迹的关键策略[[9,10]]。

在各种废热回收技术中，热电模块（TEMs）因其通过塞贝克效应直接将热能转换为电能的能力而受到广泛关注，这种技术无需移动部件、噪音或流体排放[[11], [12], [13]]。这种固态转换机制具有出色的可靠性、可扩展性和紧凑性，适用于从深空发电到汽车尾气热回收以及自供电可穿戴电子设备的广泛应用[[14], [15], [16]]。虽然热电转换效率从根本上取决于所用材料的内在属性，但实际性能还严重依赖于系统级工程策略和有效热管理[[17,18]]。缩小材料内在潜力与实际功率输出之间的差距仍是一个重大挑战，需要将研究重点从纯材料合成转向TEM的优化和集成。

尽管热电技术具有理论前景，但其广泛应用仍受到转换效率和成本效益相关挑战的制约[[19,20]]。TEM的效率不仅取决于材料属性，还受到热电元件几何设计的影响。例如，Thimont等人通过模拟不同几何形状（如棱柱形、中空和层状结构）的热电元件，探索了新型热电元件几何形状的可能性[[21]]。此外，界面处的热接触电阻和组装过程中的寄生损失会显著降低性能；Bj?rk等人定量证明界面接触电阻可使TEM效率降低超过20%，这突显了改进界面工程的重要性[[22]]。此外，将TEM集成到实际系统中需要复杂的热交换器设计，以维持足够的温度梯度，因为收集的功率与温差平方成正比[[23,24]]。最近的研究强调了关注功率密度和每瓦成本指标的重要性，尤其是在热源丰富且免费的低温度废热回收应用中[[25,26]]。

关于TEM的结构优化，许多研究人员针对不同的应用场景和几何配置进行了广泛而详细的探索。Wang等人对参数化的TEM进行了结构优化[[27]]，通过比较矩形和圆形截面，他们发现整体性能高度依赖于热电半导体元件的截面积。Aljaghtham等人研究了环形TEM的结构特性[[28]]，通过优化热电元件之间的角度比，成功降低了内部热应力并提高了电输出功率。Zhao等人优化了热电元件的高度和截面积比，提出了一种新设计参数，以确保在复杂热排气环境下的最佳输出功率[[29]]。此外，Amirkhizi等人设计并实际组装了陶瓷氧化物TEM，表现出优异的结构机械可靠性[[30]]。Theekhasuk等人将薄膜材料优化与先进的热电设计相结合，成功开发出能够克服严重温度梯度限制的柔性TEM[[31]]。

此外，许多热源（如汽车行驶过程中的热源）具有瞬态特性，这需要动态建模策略。Nguyen等人通过实验研究了TEM在脉动热源下的瞬态响应，发现功率输出存在显著的时间延迟，需要预测控制策略来优化能量回收[[32]]。制造技术的进步也为柔性TEM的发展开辟了新途径。Kim等人展示了在玻璃织物上制造的可穿戴TEM，实现了28 mWg^?1的功率密度，展示了柔性TEM适应复杂表面几何形状并减少热损失的潜力[[33]]。然而，这些TEM在热循环下的机械可靠性仍是一个关键研究领域[[34]]。

在能源转型的更广泛背景下，热电技术不再仅仅被视为独立的解决方案，而是混合能源系统的关键组成部分。例如，将TEM与光伏或燃料电池结合使用，可以利用整个太阳光谱或回收反应热，显著提高整体系统效率[[35], [36], [37]]。为了弥合实验室成果与工业应用之间的差距，全面理解热力学优化、机械完整性和经济可行性之间的相互作用至关重要[[38,39]]。

为了解决结构优化中的上述挑战，本研究提出了一种综合的热电优化策略，该策略结合了辅助组件和先进的结构设计。具体而言，在TEM边缘部署了隔热材料以最小化对环境的对流和辐射热损失，同时在热端和冷端安装了高导热性导体以减小接触热阻并增加有效热交换面积。使用ANSYS 2022R2建立了优化后的TEM的三维数值模型，考虑了辐射热损失、自然对流和实际运行条件。该模型用于系统分析新型TEM的温度、电场和应力场。后续的实验验证证实了所提设计的机械可靠性和提高的转换效率。本研究的主要目标是开发一种新型结构设计方案，显著提升TEM的整体性能，从而推动热电转换技术在工业废热回收中的实际应用。

研究程序

TEM通常用于高温环境。热源会影响周围空气，导致对流热传递强度增加和热损失加剧。在持续的热交换过程中，TEM将其内部产生的热量通过辐射传递给周围环境，进一步增加了总热损失。为了解决TEM的热损失问题，本研究设计了一种新型TEM以提高转换效率。

发电性能分析

为了进一步阐明TEM的电可靠性，图2详细展示了电极与热电材料之间关键界面接头处的电流密度分布图。在传统TEM中，界面接头附近会出现明显的电流拥挤现象，这会加剧局部焦耳加热和电迁移，通常会导致接头退化。

相比之下，新型TEM表现出更高的

结论

本研究设计了一种新型TEM，并通过验证的三维数值模型和严格的实验测试，系统评估了其在能量转换效率与机械可靠性之间的基本权衡。主要结论如下：

(1)

边缘隔热材料有效

作者贡献声明

庄淼：撰写——原始草案，方法论。孟向宁：资源，项目管理。梁博阳：软件，形式分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢来自国家自然科学基金（51576034）、中央高校基本科研业务费（N25DCG003和N25XQD011）以及博士后奖学金计划和中国博士后科学基金（GZB20250160）的财政支持。