Fabrication et conversion thermoélectrique de brique en béton thermoélectrique avec unileg N enterré

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 916 (2023) Citer cet article

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Détails des métriques

Pour étudier l'effet de la réduction des pertes de chaleur due à l'isolant thermique et à la résistance d'interface thermique due à une structure multicouche afin d'améliorer l'efficacité d'un dispositif thermoélectrique, une brique en béton thermoélectrique a été fabriquée à l'aide d'un module thermoélectrique CaMnO3 unileg de type n à l'intérieur. Les matériaux thermoélectriques CaMnO3 ont été synthétisés à partir des matières premières CaCO3 et MnO2 pour produire un module CaMnO3 unileg de type n. La brique en béton thermoélectrique se composait de deux types : la brique à couche I (une couche d'isolant thermique en béton) et la brique à couche III (trois couches d'isolants en béton différents). La différence de température, le courant électrique et la tension sur le module CaMnO3 et la brique en béton thermoélectrique ont été mesurés dans des circuits fermés et ouverts. La différence de température, la distribution thermique et la tension de sortie lors de l'application de températures constantes de 100, 200 et 400 °C ont été mesurées. Des simulations informatiques de la méthode des éléments finis (FEM) ont été réalisées pour comparer avec les résultats expérimentaux. Les tendances de la différence de température et de la tension de sortie issues des simulations expérimentales et informatiques concordaient bien. Les résultats de la différence de température pendant la température du côté le plus chaud de 200 °C ont montré la différence de température dans la direction verticale des briques en béton thermoélectrique pour les deux types de brique de couche III de 172 °C et de brique de couche I de 132 °C. C sont plus grands que celui du module CaMnO3 TEG sans utiliser d'isolant thermique en béton de 108 °C. Les briques en béton thermoélectriques de type brique de couche III de 27,70 mV ont affiché des résultats de tension de sortie supérieurs à ceux de la brique de couche I de 26,57 mV et du module CaMnO3 TEG sans utiliser d'isolant thermique en béton de 24,35 mV. La brique de béton thermoélectrique de type brique à couche III présentait une puissance de production électrique supérieure à celle de la brique à couche I et du module CaMnO3 TEG. De plus, les résultats ont montré la capacité de la brique en béton thermoélectrique dans le modèle de brique à couche III pour la production d'électricité en fonction de la différence de température. La brique de béton TEG en béton à couche I recouvrant le circuit combiné série-parallèle de 120 modules du CaMnO3 unileg de type n a été construite puis encastrée sur la surface extérieure du four. Pendant la température maximale du côté le plus chaud de 580 °C de la brique en béton, la différence de température entre le côté le plus chaud et le côté le plus froid de la brique s'est produite à 365 °C et la tension de sortie maximale a été obtenue à 581,7 mV.

Les générateurs thermoélectriques (TEG) sont des appareils générant de l'énergie électrique directement à partir de l'énergie thermique. Les TEG peuvent fonctionner sans pièces mécaniques mobiles ni réactions non chimiques, car l'avantage des TEG est l'absence de pollution et de silence1. Les applications du TEG comprennent la production d'électricité dans l'espace et les zones reculées, la récupération de chaleur résiduelle dans les automobiles et les industries, la microélectronique et les capteurs2, les poêles à biomasse3,4, le générateur thermoélectrique solaire (STEG)5, le textile6, la peinture7 et les dispositifs thermoélectriques portables8,9,10,11. .

L'efficacité de conversion thermoélectrique du TEG (η) est définie comme le rapport entre la puissance de sortie électrique (P) délivrée à la charge et le taux d'apport de chaleur (Q̇h) absorbé à la soudure chaude du TEG à l'aide de l'équation suivante \( \eta = \frac{P}{{\dot{Q}_{h} }}\)12 : L'efficacité du TEG est également calculée sous forme de facteur de mérite des matériaux par13 :

où ZT est la figure du mérite sans dimension ; \(T_{H}\) et \(T_{C}\), sont respectivement la température du côté le plus chaud et le plus froid. Comme le montre l’équation. (1), l'efficacité des modules TEG dépend de ZT et de la différence de température maintenue pendant le fonctionnement du TEG. Au cours des deux dernières décennies, des progrès significatifs ont été réalisés dans l'amélioration des performances ZT des matériaux thermoélectriques (TE). Cependant, les performances des modules TE sont bien inférieures à l'efficacité théorique en raison d'une optimisation inefficace de la structure du module TEG, des pertes thermiques et des pertes électriques13.