Разработка высокоэффективного термоэлектрического генератора с охлаждением воздушным потоком, создаваемым выхлопными газами

Эффективность коммерческих термоэлектрических генераторов (ТЭГ) существенно ограничена небольшим перепадом температур, который удается поддерживать на термоэлектрических модулях и который, в свою очередь, определяется характеристиками и энергопотреблением системы охлаждения. Традиционные системы активного охлаждения улучшают отвод теплоты, но снижают полезную выходную мощность из-за паразитного энергопотребления, тогда как пассивное воздушное охлаждение обычно обеспечивает недостаточный теплообмен. В данной работе предложен термоэлектрический генератор с системой охлаждения воздушным потоком, создаваемым выхлопными газами, как энергоавтономная альтернатива, повышающая теплоотвод без внешнего подвода энергии. Предложенная концепция охлаждения использует естественную тягу, создаваемую горячими выхлопными газами, для формирования вынужденного ламинарного воздушного потока через компактные воздушные радиаторы, что обеспечивает эффективную стабилизацию температуры холодной стороны. Параллельно разработана новая конструкция термоэлектрической термопары на основе материалов, производных от Bi2Te3, с сегментированной ветвью p-типа и оптимизированной ветвью n-типа. Геометрия термопары и размеры сегментов оптимизированы с учетом температурной зависимости свойств материалов, контактных сопротивлений и тепловых потерь. Сформулирована аналитическая модель, объединяющая тепловой и гидравлический анализ, и проведена ее верификация с использованием конечно-элементного моделирования. Совместная оптимизация системы охлаждения и термоэлектрического модуля обеспечивает повышение эффективности преобразования энергии в 1,5–2,5 раза по сравнению с коммерческими ТЭГ, работающими на газовом топливе, что демонстрирует практический путь к эффективному и надежному преобразованию энергии.