Проектування термоелектричних генераторних модулів з матеріалів на основі MgSi/MnSi

Abstract

Представлено результати комп’ютерного проектування секційних термоелектричних модулів, модулів на основі функціонально-градієнтних матеріалів (ФГМ), а також каскадних структур з матеріалів на основі MgSi/MnSi. Визначено оптимальні концентрації легуючих домішок для матеріалів секцій і віток, оптимальні функції неоднорідності термоелектричних перетворювачів енергії та значення термоелектричних параметрів у каскадних перетворювачах, використанням яких забезпечується досягнення максимальної ефективності термоелектричних генераторних модулів у діапазоні температур 323 – 773 К. Показано, що максимальна ефективність односекційних модулів з матеріалів на основі силіцидів складає η≈6.5 %, двосекційних та модулів з ФГМ – η≈8.5 %, а каскадних структур – η≈8.1 %. Встановлено, що для виготовлення секційного модуля необхідно затратити в 1.28 раза більше матеріалу, ніж для каскадного модуля за умови отримання однакової вихідної потужності.

Constantly increasing demand for energy sources and environmentally friendly generators results in the growing interest in the industrial waste heat recuperation with the help of thermoelectrics. To apply thermoelectric materials widely their high efficiency is a must, but the low cost of the initial components, their mechanical stability and ecological safety are also of great importance. Therefore, the search for the low- cost materials with high thermoelectric parameters and the design of thermoelectric generator modules on their base belong to major topical tasks. A number of silicide-based thermoelectric materials that satisfy the above mentioned requirements have been chosen as a result of literature data analysis. The results of computer simulation of sectional thermoelectric modules, functionally grades materials (FGM) based modules, as well as stage structures from silicide-based materials for industrial waste heat recuperation and that of internal combustion engines and alike are presented in this work. For calculations, the experimentally measured temperature concentration dependencies of the thermoEMF coefficient, electric and thermal conductivities of the materials investigated were used. The optimal concentrations of doping impurities for the material of sections and legs were defined, together with the optimal functions of inhomogeneity of thermoelectric energy converters and the values of thermoelectric parameters in cascade converters. By use of the said converters maximum efficiency is reached for the thermoelectric generator modules in the temperature range of 323-773 K. Thus, single-stage silicide- based modules performance equals η≈6.5 %, that of two-stage and FGM based modules are η≈8.5 %, and η≈8.1 % for multi-stage structures. To produce the sectional module must be expended by 1.28 more material as compared to cascade module at the same output power.