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高效率熱電器件優(yōu)化設(shè)計(jì)與集成技術(shù)研究進(jìn)展

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高效率熱電器件優(yōu)化設(shè)計(jì)與集成技術(shù)研究進(jìn)展

摘要: 　　熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在特種電源、綠色能源、高精度溫控與制冷等技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。近10余年來，熱電材料科學(xué)得到前所未有的發(fā)展，熱電材料性能的標(biāo)志性指標(biāo)——無量綱熱電優(yōu)值 ...

　　熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在特種電源、綠色能源、高精度溫控與制冷等技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。近10余年來，熱電材料科學(xué)得到前所未有的發(fā)展，熱電材料性能的標(biāo)志性指標(biāo)——無量綱熱電優(yōu)值（ZT）的紀(jì)錄被不斷刷新，多種材料的ZT值超過1.5甚至2.0。然而，工業(yè)界所期待的熱電應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展卻滯后于熱電材料科學(xué)的發(fā)展。例如，汽車尾氣余熱發(fā)電技術(shù)自90年代被提出后已經(jīng)過去近20年，盡管陸續(xù)有數(shù)百瓦級(jí)示范系統(tǒng)的報(bào)道，但尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。鋼鐵廠、化工廠等工業(yè)高溫設(shè)備的余廢熱發(fā)電利用也一直受到關(guān)注和期待，但目前仍然停留在千瓦級(jí)示范系統(tǒng)的研制，尚未獲得規(guī)�；I(yè)應(yīng)用。
　　制約熱電發(fā)電技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用的主要瓶頸是器件研發(fā)的滯后，尤其是長(zhǎng)期以來器件轉(zhuǎn)換效率一直低于10%，直接影響工業(yè)應(yīng)用中能量的有效回收率和經(jīng)濟(jì)可行性。熱電器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要對(duì)幾何形狀與尺寸、連接方式、電流與熱流耦合匹配等復(fù)雜體系的多參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型很難滿足能量損失最小化的要求；同時(shí)，器件中存在的各種異質(zhì)界面（電極/熱電材料、熱電材料/熱電材料、絕緣基板/電極等）更是直接導(dǎo)致熱能與電能損失的主要因素，開發(fā)低能量損耗的結(jié)合技術(shù)是國(guó)際上熱電器件技術(shù)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。
　　中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽學(xué)習(xí)所學(xué)習(xí)員陳立東、高級(jí)工程師柏勝?gòu)?qiáng)帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)一直堅(jiān)持器件優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和集成關(guān)鍵技術(shù)的學(xué)習(xí)，針對(duì)方鈷礦、碲化鉍等具有重要應(yīng)用價(jià)值的熱電材料，成功開發(fā)了低界面電（熱）阻、高溫穩(wěn)定性優(yōu)異的電極材料及其結(jié)合技術(shù)；基于對(duì)器件能量輸運(yùn)與轉(zhuǎn)換過程系統(tǒng)的理論分析，針對(duì)非線性溫度變化的材料性能參數(shù)以及多重寄生能量損失的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，建立了三維數(shù)值模擬的器件全參數(shù)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)器件能量損失的最小化設(shè)計(jì)。運(yùn)用全參數(shù)設(shè)計(jì)方法和低能量損失界面技術(shù)，研制成功碲化鉍/方鈷礦二段結(jié)構(gòu)熱電發(fā)電器件，器件最大轉(zhuǎn)換效率達(dá)到材料理論值的96.9%，在541°C溫差下實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)換效率達(dá)12%，是目前國(guó)際上報(bào)道的最高水平。相關(guān)學(xué)習(xí)結(jié)果發(fā)表于能源與環(huán)境科學(xué)（Energy  Environmental Science，DOI: 10.1039/ c7ee00447h）。
　　學(xué)習(xí)工作得到了國(guó)家基礎(chǔ)學(xué)習(xí)“973”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委、中科院等的資助。

　　圖1. 熱電發(fā)電器件全參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的邏輯框架。

　　圖2. (a) 二段材料相對(duì)高度對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響；(b) 界面電阻率對(duì)器件轉(zhuǎn)換效率的影響；(c) 器件材料填充率對(duì)器件轉(zhuǎn)換效率的影響；(d) 碲化鉍/方鈷礦二段結(jié)構(gòu)器件制備流程圖；(e) 不同溫差下器件的轉(zhuǎn)換效率測(cè)量結(jié)果（圖中給出了其它典型器件公開報(bào)道的轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)）。高效率熱電器件優(yōu)化設(shè)計(jì)與集成技術(shù)研究進(jìn)展  |  責(zé)任編輯：蟲子
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