مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مدل‌سازی غیرخطی کوپلینگ ترموالکتریک و مطالعه تجربی و عددی عملکرد سامانه ژنراتورهای ترموالکتریک

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه مهندسی خودرو، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
چکیده
در این مقاله یک حل تئوری غیرخطی بر مبنای روش المان محدود برای شبیه‌سازی ژنراتورهای ترموالکتریک ارایه شده ‌است. به‌منظور استخراج خواص در آزمون تجربی و صحت‌سنجی حل تئوری ارایه‌شده، یک سامانه‌ آزمایشگاهی طراحی و ساخته شد. سامانه شامل تعداد چهار ژنراتور ترموالکتریک پایه‌ بیسموت تلوراید بوده که بین یک هیتر برقی و بلوک‌های خنک‌کننده‌ آبی قرار گرفته و در اثر اختلاف دمای ایجادشده برق تولید می‌کنند. ابتدا معادلات حاکم با درنظرگرفتن کوپلینگ غیرخطی ترموالکتریک ارایه ‌شده و سپس حل آن با استفاده از روش باقی‌مانده‌های وزنی با کدنویسی در نرم‌افزار متلب به‌منظور تحلیل غیرخطی ارایه شده‌ است. در بخش بعدی طراحی و ساخت سامانه‌ ترموالکتریک بررسی و روند انجام آزمایش‌های مربوطه شرح داده شده‌ است. خواص ژنراتور شامل ضریب سیبک و مقاومت الکتریکی داخلی به دست آمده که برای شبیه‌سازی در بخش بعدی استفاده می‌شود. سامانه ابتدا در نرم‌افزار انسیس-فلوئنت شبیه‌سازی شده و پارامترهای حرارتی- سیالاتی شامل توزیع دما و سرعت به دست آمده است. سپس شبیه‌سازی ترموالکتریکی با استفاده از کد المان محدود ارایه‌شده و نیز نرم‌افزار انسیس- ترمال الکتریک، انجام شد و مقادیر ولتاژ، توان تولیدی و بازده به دست آمده و با نتایج تجربی مقایسه و صحت‌سنجی شده‌ است. نتایج حاصل بیانگر دقت مناسب مدل‌سازی ارایه شده است. همچنین تاثیر پارامترهای هندسی و شرایط مرزی دمایی بر عملکرد ژنراتورهای ترموالکتریک، با استفاده از حل تئوریک ارایه‌شده، بررسی شده‌است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Nonlinear Model of Thermoelectric Coupling and Experimental and Numerical Analysis of Thermoelectric Generator Setup

نویسندگان English

M. Abouali Shamshiri
M. Asgari
Vehicle Engineering Department, Mechanical Engineering Faculty, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

In this paper, a nonlinear theoretical solution is proposed to simulate thermoelectric generators. A thermoelectric generator (TEG) setup was designed and constructed to measure the thermoelectric properties of a specified TEG, and, then, to validate the simulation results. The setup is composed of four bismuth telluride based TEGs, which are placed between an electrical heater and water cooled heatsinks to generate power as the result of the temperature difference. In the first section, the thermoelectricity phenomenon is introduced and governing equations are presented in order to develop the finite element solution by weighted residual Galerkin method. The FEM code is written in MATLAB software. In the second section, the designed and fabricated setup is explained and it is investigated how to perform the experiments. The TEG properties including the Seebeck coefficient and internal electrical resistance were measured, which are, then, used for setup simulation. First, the thermal-fluidic parameters including temperature and velocity distribution are obtained by simulation in Ansys-Fluent software. Then, the thermoelectricity simulation is performed by means of both the proposed finite element solution, and Ansys-Thermal electric software; so, the output voltage, power, and efficiency are calculated. The results indicate the accuracy of the modeling. Also, using the proposed finite element solution, the impact of the geometrical dimensions and temperature conditions on the TEG performance is investigated.

کلیدواژه‌ها English

Thermoelectric Generator (TEG)
Nonlinear Analysis
Experimental Study
1- Liu W, Hu J, Zhang Sh, Deng M, Han CG, Liu Y. New trends, strategies and opportunities in thermoelectric materials: A perspective. Materials Today Physics. 2017;1:50-60. [Link] [DOI:10.1016/j.mtphys.2017.06.001]
Elsheikh MH, Shnawah DA, Sabri MFM, Said SBM, Hassan MH, Bashir MBA, et al. A review on thermoelectric renewable energy: Principle parameters that affect their performance. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;30:337-355. [Link] [DOI:10.1016/j.rser.2013.10.027]
Marchenko OV. Performance modeling of thermoelectric devices by perturbation method. International Journal of Thermal Sciences. 2018;129:334-342. [Link] [DOI:10.1016/j.ijthermalsci.2018.03.006]
Goupil Ch, Seifert W, Zabrocki K, Müller E, Snyder GJ. Thermodynamics of thermoelectric phenomena and applications. Entropy. 2011;13(8):1481-1517. [Link] [DOI:10.3390/e13081481]
Zhang S. 6 supermaterials that could change our world [Internet]. United States: Gizmodo; 2015 [cited 2017 March 01]. Available from: https://gizmodo.com/beyond-graphene-6-supermaterials-that-could-change-our-1681845262 [Link]
Elsarrag E, Pernau H, Heuer J, Roshan N, Alhorr Y, Bartholomé K. Spectrum splitting for efficient utilization of solar radiation: A novel photovoltaic-thermoelectric power generation system. Renewables Wind Water and Solar. 2015;2(1):16-26. [Link] [DOI:10.1186/s40807-015-0016-y]
Daghigh R, Khaledian Y. Effective design, theoretical and experimental assessment of a solar thermoelectric cooling-heating system. Solar Energy. 2018;162:561-572. [Link] [DOI:10.1016/j.solener.2018.01.012]
Mengmeng W, Houcheng Z, Jiapei Z, Fu W, Jinliang Y. Performance analyzes of an integrated phosphoric acid fuel cell and thermoelectric device system for power and cooling cogeneration. International Journal of Refrigeration. 2018;89:61-69. [Link] [DOI:10.1016/j.ijrefrig.2018.02.018]
Pérez-Aparicio JL, Taylor RL, Gavela D. Finite element analysis of nonlinear fully coupled thermoelectric materials. Computational Mechanics. 2007;40(1):35-45. [Link] [DOI:10.1007/s00466-006-0080-7]
Palma R, Pérez-Aparicio JL, Taylor RL. Non-linear finite element formulation applied to thermoelectric materials under hyperbolic heat conduction model. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2012;213-216:93-103. [Link] [DOI:10.1016/j.cma.2011.11.011]
Pérez–Aparicio JL, Palma R, Taylor RL. Finite element analysis and material sensitivity of Peltier thermoelectric cells coolers. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2012;55(4):1363-1374. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.08.031]
Korotkov AS, Loboda VV, Makarov SB, Feldhoff A. Modeling thermoelectric generators using the ANSYS software platform: Methodology, practical applications, and prospects. Russian Microelectronics. 2017;46(2):131-138. [Link] [DOI:10.1134/S1063739717020056]
Fahad H, Hasan MD, Li G, Hussain M. Thermoelectricity from wasted heat of integrated circuits. Applied Nanoscience. 2013;3(3):175-178. [Link] [DOI:10.1007/s13204-012-0128-2]
Lee H, Sharp J, Stokes D, Pearson M, Priya Sh. Modeling and analysis of the effect of thermal losses on thermoelectric generator performance using effective properties. Applied Energy. 2018;211:987-996. [Link] [DOI:10.1016/j.apenergy.2017.11.096]
Lamba R, Manikandan S, Kaushik SC, Tyagi SK. Thermodynamic modelling and performance optimization of trapezoidal thermoelectric cooler using genetic algorithm. Thermal Science and Engineering Progress. 2018;6:236-250. [Link] [DOI:10.1016/j.tsep.2018.04.010]
Deasy MJ, Baudin N, O'Shaughnessy SM, Robinson AJ. Simulation-driven design of a passive liquid cooling system for a thermoelectric generator. Applied Energy. 2017;205:499-510. [Link] [DOI:10.1016/j.apenergy.2017.07.127]
Wengang H, Lulu W, Zongmin Z, Yanhua L, Mingxin L. Research on simulation and experimental of thermal performance of LED array heat sink. Procedia Engineering. 2017;205:2084-2091. [Link] [DOI:10.1016/j.proeng.2017.10.102]
Niu Z, Diao H, Yu Sh, Jiao K, Du Q, Shu G. Investigation and design optimization of exhaust-based thermoelectric generator system for internal combustion engine. Energy Conversion and Management. 2014;85:85-101. [Link] [DOI:10.1016/j.enconman.2014.05.061]
Meng JH, Zhang XX, Wang XD. Characteristics analysis and parametric study of a thermoelectric generator by considering variable material properties and heat losses. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015;80:227-235. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.09.023]
Bai W, Yuan X, Liu X. Numerical investigation on the performances of automotive thermoelectric generator employing metal foam. Applied Thermal Engineering. 2017;124:178-184. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2017.05.146]