Топологическая оптимизация термоэлектрического генератора для достижения максимальной энергетической эффективности

Термоэлектрические генераторы представляют собой перспективный подход к утилизации избыточного тепла природного и антропогенного происхождения, обеспечивая устойчивую выработку электроэнергии. Хотя геометрическое проектирование играет ключевую роль в оптимизации характеристик устройств, традиционные подходы по-прежнему ограничиваются простыми конфигурациями, что сдерживает повышение эффективности. Это ограничение обусловлено сложным взаимодействием мультифизических эффектов и разнообразных тепловых условий, что усложняет оптимизацию конструкции. В настоящей работе предложен универсальный подход к проектированию, объединяющий топологическую оптимизацию (ТО) и аддитивное производство для систематического получения высокоэффективных трехмерных термоэлектрических архитектур. Посредством постановки задачи оптимизации, направленной на максимизацию эффективности генерации электроэнергии, данный подход исследует беспрецедентно большое пространство проектных решений, оптимизируя геометрию термоэлектрических материалов при различных тепловых граничных условиях и свойствах материалов. Полученные с помощью ТО геометрии стабильно превосходят традиционные параллелепипедные конструкции, демонстрируя значительный прирост эффективности. Помимо исследований in silico, представлены теоретические обоснования и экспериментальная валидация, подтверждающие реализуемость предложенного подхода к проектированию. Результаты работы открывают преобразующий путь к повышению эффективности термоэлектрической генерации электроэнергии и имеют широкое значение для технологий устойчивой энергетики следующего поколения.