Bu tədqiqat, sıcak bir səth ilə daha soğuk bir səth arasındaki temperatur fərqinı birbaşa elektrik enerjisine dönüştüren yüksək gərginlikli və yüksək sıxlıqlı termoelektrik modullerin tasarımını araşdırır. Tədqiqatçılar, material xüsusilərinin temperaturla değişimini, termoelektrik ayaqların boyutunu, modul üçündeki doluluq nisbətinı, mis keçidların elektrik müqavimətini, keramik altlıqların termal müqavimətini və ayaq-elektrod interfeyslərindeki termal temas itkilarını birlikte dəyərlendiren TEMsim adlı sürətli bir yarı analitik həlledici geliştirmiştir.

Tədqiqatın əsas mühendislik problemu, yüksek gərginlik elde etmek üçün çox sayıda termoelektrik cütin seri bşəbəkəlanmasıyla ortaya çıkan ödünleşimdir. Küçük ayaqlar eyni səth alanına daha fazala n-p cütü yerleştirerek gərginliki artırır; lakin kesit alanlarının küçülmesi elektrik müqavimətini, istehsal zorluğunu və lehimleme hassasiyetini artırır. Büyük ayaqlar daha düşük elektrik müqaviməti və daha yüksek doluluq nisbəti sşəbəkəlar; lakin eyni modul alanında daha az cüt bulunduğu üçün gərginlik düşer və sistem düzeyinde daha fazala modulün seri bşəbəkəlanması lazımdır.

Tədqiqatçılar, təxminən yüzde 35–45 doluluq nisbəti ilə 0,5–0,9 mm ayaq genişliği arasındaki orta sıxlıq bölgesinin gərginlik, güç, termal uyum və üretiləbilirlik açistilikndan en dengeli tasarım alanını oluşturduğunu dəyərlendirmiştir. Bu nəticə mutlak bir evrensel optimum değildir; modul səth alanına, istilik kaynşəbəkəına, ayaq yüksekliğine, kontakt müqavimətine, hedef gərginlike və istehsal sınırlarına bşəbəkəlıdır.

Modelin yönlendirdiği fiziksel prototip, 1.029 n-p termoelektrik cüti və toplam 2.058 Bi₂Te₃ tabanlı ayaq içermektedir. Her ayaq 0,5 × 0,5 × 0,46 mm boyutundadır. Bacakların etkin enerji çevrilmə bölgesindeki doluluq nisbəti yüzde 37,83, bütün modul səthine görə doluluq nisbəti yüzde 32,16 və cüt sıxlığı 0,757 cüt/mm² kimi bildirilmişdir. Bacaklar 49 × 42 konumlu yüksək sıxlıqlı bir dizide, elektriksel kimi seri çalışan S biçimli bir keçid yolu üzərində düzenlenmiştir.

Modelde soyuq səth temperaturu 20 °C, isti səth temperaturu 200 °C və istilik kontakt faktoru 0,10 olduğunda TEM-1029 üçün maksimum güc təxminən 24,18 W, maksimum güc noktasındaki gərginlik 31,53 V və axınm 0,77 A kimi hesablanmışdır. Aynı şərtlərda daha kaba TEM-342 və TEM-696 tasarımları üçün bildirilən maksimum gücler ardıcıllıqsıyla təxminən 13,07 W və 17,42 W’tır. TEM-1029 daha düşük doluluq nisbətina rşəbəkəmen çox daha fazala seri cüt içermesi nedeniyle üç tasarım arasında ən yüksək proqnozlen gərginlik və gücü üretmiştir.

Isıl kontakt müqaviməti modelin nəticələrinı mühüm ölçüde değiştirmiştir. Arayüzlerin kusursuz kabul edildiği durumda model, eksperimental gücü və gərginliki olduğundan yüksek, lazımlı istilik girişini isə düşük tahmin etmiştir. Isıl temas faktörü 0,05–0,15 aralığına getirildiğinde hesaplanan güç, gərginlik, axınm və səmərə düşmüş; lazımlı istilik girişi yükselmiş və eksperimental noktalar model bandına yaklaşmıştır. Bu durum, sıcak və soyuq səthlerde ölçülen temperatur fərqinın tamamının termoelektrik ayaqlar üzərində oluşmadığını göstərir.

Tədqiqatın eksperimental doğrulaması, soyuq səthi təxminən 50 °C’də tutulan və rastgele seçildiği belirtilən dört TEM-1029 modulü üzərində gerçekleştirilmiştir. Yaklaşık 15–45 °C modul temperatur farklarında güç və istilik girişi ölçülmüş; kontakt müqavimətini içeren model eğrilərinin eksperimental noktalarla genel kimi uyumlu olduğu göstərilmişdir. Bununla belə ana mətnde xəta çubukları, tekrar dşəbəkəılımları, standart sapma, RMSE və ya başka bir sayısal uyum ölçütü sunulmamıştır.

Yük müqaviməti analizinde temas faktörü yükseldikçe ən uyğun yük müqaviməti daha yüksek dəyərlere kaymış və pik güc azalmışdır. 200 °C modul temperatur fərqinda temas faktörü 0,05, 0,10 və 0,15 üçün qrafiklerden təxminən 40 W, 33 W və 27 W pik güc okunmaktadır. Aynı müqayisəda en uygun yük müqavimətleri təxminən 45–51 Ω aralığındadır. Bu nəticələr, elektriksel maksimum güç noktası izlemesinin yalnızca modulün iç müqavimətine değil, termal interfeys kalitesine də bşəbəkəlı olduğunu göstərir.

Tədqiqatçılar həmçinin tek tek n- və p-tipli ayaqlardaki doğrusal olmayan temperatur və istilik axını dşəbəkəılımını çözen ayrıntılı bir algoritma geliştirmiştir. Soğuk uç 50 °C və sıcak uç 150 °C iken p-tipli ayaq üçün ən yüksək hesaplanan çevrilmə səmərəsi yüzde 5,40 və en uygun cərəyan sıxlığı −298,2 A/cm²; n-tipli ayaq üçün ən yüksək səmərə yüzde 4,99 və en uygun cərəyan sıxlığı 243,6 A/cm² kimi bulunmuştur. Bu dəyərler tek ayaq düzeyindeki sayısal optimumlardır və bütün modulün ölçülen səmərəiyle eyni kavram değildir.

Türkiyə baxımından: Yaklaşım; Türkiyədə geotermal kuyular, sənaye fırınlar, döküm və metal işleme tesisleri, çimento və cam istehsali, motor egzozları, kojenerasyon sistemleri, məlumat merkezi soğutma altstrukturu və uzak saha sensörlerinde itki istidən düşük baxınm gerektiren elektrik istehsali üçün araştırılabilir. Türkiyədə tətbiqya geçilmeden əvvəl yerli istilik kaynşəbəkəının temperatur və istilik axını profili ölçülmeli; modul–istilik dəyişdiricisi kontakt müqaviməti təzyiq, səth pürüzlülüğü və termal interfeys materialsine görə eksperimental kimi belirlenmeli; termal dövr, lehim yorulması, nem, oksidləşmə və uzunmüddətli performans kaybı sınanmalıdır. Tədqiqatdan belirli bir Türk tesisinde 24 və ya 40 W müddətkli güç elde ediləceği, sistemin ekonomik geri ödəmə sşəbəkəlayacşəbəkəı ya da yüzlerce modulün eyni performansı koruyacşəbəkəı sonucu birbaşa çıkarılamaz.

Termoelektrik enerji çevrilməünün əsas ilkesi nedir?

Bir termoelektrik cüt, elektriksel xüsusiləri fərqli bir n-tipli və bir p-tipli yarımkeçirici ayaqtan oluşur. Bacakların iki uçları fərqli temperaturlarda tutulduğunda yük taşıyıcıları sıcak bölgeden soğuk bölgeye doğru yeniden dşəbəkəılır və Seebeck etkisi kimi adlandırılan elektriksel potensial farkı ortaya çıkar.

Tek bir n-p cütünin açıq dövrə gərginliyi kiçiktür. Yüksek gərginlik elde etmek üçün çox sayıda cüt elektriksel kimi seri, istilik baxımından paralel bşəbəkəlanır. Seri keçidda her cütin ürettiği gərginlik toplanır; istilik isə sıcak altlıktan soğuk altlığa bütün ayaqlar üzərindən paralel biçimde aktarılır.

Termoelektrik modullar hareketli parça, pompa və ya tədqiqat axınşkanı gerektirmediği üçün uzunmüddətli və düşük baxınm gerektiren enerji yığımı tətbiqlarında kullanılabilir. Bunun əksinə çevrilmə səmərəsi, ayaqların material kalitesinin yanı ardıcıllıq temas müqavimətlerine, istilik eşanjörlerine, ayaq geometrisine və elektrik yükünün doğru eşleştirilmesine güclü biçimde bşəbəkəlıdır.

Tədqiqat hangi əsas boşluğu hədəfləyir?

Termoelektrik material araşdırmaları çoğunlukla boyutsuz \(ZT\) dəyərini yükseltmeye odaklanır. Lakin yüksek \(ZT\)’ye sahip bir materialın gerçek modulde eyni düzeyde performans üretmesi garanti değildir. Modül ölçeğinde şu itkilar devreye girmektedir:

• Bacak ilə metal elektrod arasındaki istilik kontakt müqaviməti
• Lehim, metallaşdırma və diffuziya bariyerlerinin oluşturduğu ek müqavimətler
• Alümina seramik altlığın termal müqaviməti
• Baxınr izlerin elektrik müqaviməti
• Bacak boyutları və aralıklarından mənbəlanan paketleme itkiları
• Sıcaklıkla değişen Seebeck katsayistilik, elektrik ilətkenliği və termal keçiricilik
• Joule istiliknması və Thomson etkisi
• Modül ilə gerçek istilik kaynşəbəkəı və ya soyuducu arasındaki dış interfeys itkiları

Sonlu eleman çözümleri bu etkiləri ayrıntılı kimi gösterebilir; lakin binlerce tasarımın taranması üçün yavaş və zahmetli olabilir. Basitleştirilmiş bir boyutlu modeller isə sürətli olmakla birlikte çoğu zaman sıcaklığa bşəbəkəlı xüsusiləri və ya kontakt müqavimətini ihmal eder. TEMsim, bu iki yaklaşım arasında sürətli lakin fiziksel komponentləri açıkça içeren bir çözüm sunmayı amaçlamaktadır.

Bi₂Te₃ tabanlı materiallar neden seçilmiştir?

Tədqiqatın hedeflediği istilik mənbəları 300 °C’nin altında olduğu üçün bizmut tellurid tabanlı n- və p-tipli materiallar istifadə edilmişdir. Sayfa 3’teki Şekil 1, 300–500 K aralığında sıcaklığa bşəbəkəlı altı əsas özelliği göstərir:

• Seebeck katsayistilik
• Elektrik ilətkenliği
• Isıl keçiricilik
• Güç faktörü
• Boyutsuz \(ZT\)
• n- və p-tipli ayaqların toplam diferansiyel Seebeck katsayistilik

P-tipi materialın Seebeck katsayistilik təxminən +277 µV/K, n-tipli materialınki təxminən −250 µV/K düzeyine ulaşmaktadır. İki ayaq arasındaki diferansiyel Seebeck katsayistilik 400–425 K çevresinde təxminən 527 µV/K ilə ən yüksək dəyərine ulaşmıştır. Bu fark, bir n-p cütünin temperatur fərqi başına üretebiləceği açıq dövrə gərginliyinin əsas belirleyicisidir.

Elektrik ilətkenliği temperatur yükseldikçe azalmışdır. N-tipi material araşdırılan aralığın tamamında p-tipli materialden daha yüksek keçiricilik göstərmişdir. Isıl keçiricilik təxminən 400–450 K çevresinde ən aşşəbəkəı dəyərine ulaşmış, daha yüksək temperaturlarda xüsusilə p-tipli materialde bipolar istilik taşınımı nedeniyle yeniden artmışdır.

N-tipi materialın tepe \(ZT\) dəyəri təxminən 1,31, p-tipli materialınki təxminən 1,52 kimi bildirilmişdir. Her iki tepe də təxminən 375–425 K tədqiqat bölgesindedir. Bu dəyərler tek başına modul səmərəi değildir; materialın elektriksel və termal taşıma xüsusilərini bir arada ifade eden göstəricilərdir.

Sıcaklığa bşəbəkəlı xüsusilər modele nasıl aktarılmıştır?

Seebeck katsayistilik, termal keçiricilik və elektrik ilətkenliği n- və p-tipli materiallar üçün üçüncü dereceden temperatur polinomlarıyla temsil edilmiştir. Model, sıcak və soğuk uç arasındaki temperatur aralığını bölümlere ayırarak her temperatur noktasındaki xüsusiləri hesablamakta və orta dəyərler üretmektedir.

Örneğin etkili cüt Seebeck katsayistilik şu biçimde hesaplanmaktadır:

\[ \bar{\alpha} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left[ \alpha_p(T_i)-\alpha_n(T_i) \right] \]

Benzer biçimde n- və p-tipli ayaqların orta elektrik və termal keçiricilikleri temperatur aralığı boyunca ayrı ayrı hesaplanmaktadır. Bu yaklaşım, bütün bacşəbəkəın xüsusilərini yalnızca orta temperaturtaki tek bir dəyərle temsil etmekten daha ayrıntılıdır.

Bununla belə Tablo 2’də temperatur noktalarının \(i=0,\ldots,n\) şeklinde tanımlanması və aralığın \(n-1\)’e bölünmesi gösterim baxınmından tutarlı değildir. Uygulamada uç noktaları aşmayan \(n\) noktalı bir dizinin \(i=0,\ldots,n-1\) biçiminde kurulması beklenir. Tədqiqatın açık kodu məlumatlmediği üçün tətbiqdaki gerçek indeksleme doğrulanamamaktadır.

Doluluk nisbəti nedir?

Doluluk nisbəti və ya fill factor, modul səthinin ne kadarının etkin termoelektrik ayaqlarla kaplandığını gösterir:

\[ FF= \frac{A_{\mathrm{TE}}} {A_{\mathrm{TEM}}} \times100 \]

• \(A_{\mathrm{TE}}\), bütün n- və p-tipli ayaqların toplam kesit alanıdır.
• \(A_{\mathrm{TEM}}\), modulün dış səth alanıdır.

Doluluk nisbəti yükseldiğinde istilik üçün daha geniş ilətim kesiti və elektrik üçün daha düşük ayaq müqaviməti oluşur. Bunun əksinə eyni səth alanına yerleştiriləbilən cüt sayı azalabilir. Doluluk nisbəti düştüğünde daha fazala və daha kiçik ayaq yerleştiriləbilir; lakin ayaqların toplam elektrik müqaviməti və imalat hassasiyeti artar.

Bacak sayistilik və yerleşim nasıl hesablanmışdır?

Tədqiqat, modul kenarlarında istehsal və keçid üçün bıraxınlan boşluqları çıktıktan sonra kullanılabilir alanı hesablamaktadır:

\[ W_{\mathrm{working}}=W-2m_x \]

\[ H_{\mathrm{working}}=H-2m_y \]

Kare kesitli bir bacşəbəkəın kenar uzunluğu \(w_{\mathrm{TE}}\), yatay və dikey aralıklar \(s_x\) və \(s_y\) olduğunda her yöndeki ən yüksək ayaq sayistilik aşşəbəkəı yuvarlama işlemiyle belirlenmektedir:

\[ N_{\mathrm{TE},x} = \left\lfloor \frac{W_{\mathrm{working}}} {w_{\mathrm{TE}}+s_x} \right\rfloor \]

\[ N_{\mathrm{TE},y} = \left\lfloor \frac{H_{\mathrm{working}}} {w_{\mathrm{TE}}+s_y} \right\rfloor \]

S biçimli ardıcıl birləşmənin iki qarşı köşede giriş və çıkış oluşturabilmesi üçün x yönündeki sayı tek, y yönündeki sayı cüt olacak şəkilde ayarlanmaktadır. Toplam ayaq sayistilik:

\[ N_{\mathrm{TE,total}} = N_{\mathrm{TE},x}N_{\mathrm{TE},y} \]

və n-p cütlerinin sayistilik:

\[ N_{\mathrm{couple}} = \frac{N_{\mathrm{TE,total}}}{2} \]

kimi elde edilmektedir.

S biçimli ardıcıl keçid neden istifadə edilmişdir?

Sayfa 6’daki Şekil 2, çox sayıdaki n- və p-tipli bacşəbəkəın satırlar boyunca iləri-geri ilərleyen S biçimli bir mis keçid yolu üzərindən seri bşəbəkəlandığını göstərir. Bu düzenin iki amacı vardır:

• Bütün cütlerin gərginliklerini tek bir seri yol üzərində toplamak
• Giriş və çıkış uçlarını modulün qarşı köşelerine taşıyarak kablosuz panel və baskılı devre entegrasyonunu kolaylaştırmak

Seri yol uzadıkça mis izilərin elektrik müqaviməti də artmaktadır. TEMsim bu parazitik müqaviməti mis izilərin toplam uzunluğu, genişliği, kalınlığı və ilətkenliği üzərindən modele eklemektedir.

Üç modul tasarımı nasıl qarşılaştırılmıştır?

TEM-342 en böyük ayaqlara və ən yüksək doluluq nisbətina sahiptir. Elektrik axınmı görəce yüksek, gərginliki düşüktür. TEM-1029 isə en kiçik ayaqlara və daha düşük doluluq nisbətina rşəbəkəmen en fazala seri cüt içerdiği üçün ən yüksək gərginliki üretmiştir.

TEM-1029 üçün eyni hesablama noktasında:

• En yüksek güç noktası gərginliki təxminən 31,53 V’tur.
• En yüksek güç noktası axınmı təxminən 0,77 A’dır.
• En yüksek güç təxminən 24,18 W’tır.

Bu dəyərler eksperimental kimi erişilən temperatur fərqindan çox daha yüksek, 180 °C’lik dış temperatur fərqina ait model nəticələridır. Dört modullü eksperimental müqayisə təxminən 15–45 °C temperatur fərqinda strukturlmıştır.

Neden ən yüksək doluluq nisbəti ən yüksək gücü vermemiştir?

Bir modulün gücü yalnızca ayaqların kapladığı toplam alana bşəbəkəlı değildir. Bir seri devrede gərginlik cüt sayıyla, iç müqavimət isə ayaqların uzunluğu, kesiti və sayistilikyla birlikte değişir.

Küçük ayaqlı TEM-1029’da:

• Daha fazala seri n-p cütünin gərginlikleri toplanmıştır.
• Her bacşəbəkəın kesiti küçüldüğü üçün elektrik müqaviməti yüksəlmişdir.
• Toplam ayaq alanı azaldığı üçün istilik müqaviməti değişmiştir.
• Yüksek gərginlik və düşük axınm karakteristiği yaranmışdır.

Büyük ayaqlı TEM-342’də isə daha az seri cüt, daha düşük gərginlik və daha yüksek axınm bulunmaktadır. İncelenen yük və temperatur şərtlərində TEM-1029’un gərginlik artışı, müqavimət artışından daha güclü nəticə vermiştir.

Neden aşırı kiçik ayaqlar tercih edilmemiştir?

Model 0,1–2,0 mm arasındaki ayaq boyutlarını taramıştır. Bacak genişliği təxminən 0,2 mm’nin altına düştüğünde çevre/kesit alanı nisbəti büyümekte və elektriksel temas ilə ayaq müqaviməti güç çıkışını məhdudlaşdırır.

Fiziksel istehsal açistilikndan da 0,5 mm’den kiçik ayaqların kesilmesi, metalize edilmesi, hizalanması və binlerce konuma lehimlenmesi daha düşük istehsal səmərəi və daha yüksek maya dəyəri riski daşıyır. TEM-1029’un 0,5 mm boyutu, tədqiqatda ekonomik kimi tətbiq oluna bilən ən yüksək sıxlıq sınırı kimi seçilmiştir.

İdeal bir termoelektrik modulün istilik dengesi nasıl modellenmiştir?

Sıcak uçtan alınan istilik dört ana komponentden oluşmaktadır:

• Seebeck/Peltier çevrilmə terimi
• İç elektrik müqavimətinden mənbəlanan Joule istiliksı
• Sıcaklığa bşəbəkəlı Seebeck katsayistiliknın oluşturduğu Thomson etkisi
• Bacaklar boyunca pasif istilik ilətimi

İdeal durumda sıcak və soğuk uç arasındaki net elektrik gücü genel kimi:

\[ P_o = N_{\mathrm{couple}} \left[ \bar{\alpha}\Delta T I -I^2R_i -\bar{\tau}I\Delta T \right] \]

şeklinde ifade edilmiştir. Burada \(I\) axınm, \(R_i\) bir cütin iç müqaviməti, \(\bar{\alpha}\) etkili Seebeck katsayistilik və \(\bar{\tau}\) Thomson terimidir.

Toplam iç elektrik müqaviməti, n-tipli ayaqlar, p-tipli ayaqlar və mis izilərin toplamıdır:

\[ R_{i,\mathrm{total}} = R_n+R_p+R_{\mathrm{trace}} \]

Bacakların elektrik müqaviməti cüt sayının karesi, ayaq uzunluğu, modul alanı, doluluq nisbəti və material keçiricilikleriyle ilişkiləndirilmiştir. Çok sayıda kiçik ayaq seri bşəbəkəlandığında gərginlikle birlikte iç müqavimət də büyümektedir.

Termal kontakt müqaviməti neden mühümdir?

Gerçek modulde sıcak blokta ölçülen temperatur ilə termoelektrik bacşəbəkəın sıcak ucu eyni değildir. Benzer biçimde bacşəbəkəın soğuk ucu ilə soyuducu blok arasında da temperatur düşümü oluşur. Bu farklar şu qatlardan mənbəlanabilir:

• Termal interfeys materialsi
• Alümina keramik altlıq
• Baxınr iz
• Lehim tabakası
• Metalizasyon və diffuziya baryeri
• Yüzey pürüzlülüğü və boşluqlar
• Yetersiz və ya dengesiz sıxma basıncı

Sayfa 9’daki Şekil 3, isti səthden soyuq səthe doğru beş əsas müqavimət komponentini göstərir: üst altlık, üst temas, termoelektrik ayaqlar, alt temas və alt altlık.

Tədqiqatda dış kabuk müqaviməti:

\[ \theta_{\mathrm{shell}} = \theta_{\mathrm{con}} + \theta_{\mathrm{sub}} \]

və toplam modul müqaviməti:

\[ \theta_{\mathrm{TEM,total}} = \theta_{\mathrm{TE,total}} + 2\theta_{\mathrm{shell}} \]

şeklinde tanımlanmıştır.

Isıl temas faktörü nasıl tanımlanmıştır?

Tədqiqatçılar kontakt müqavimətini birbaşa sabit bir K/W dəyəri yerine boyutsuz TCF ilə tanımlamıştır:

\[ \theta_{\mathrm{con}} = TCF \left( \theta_{\mathrm{TE,total}} + \theta_{\mathrm{sub}} \right) \]

TCF küçüldükçe interfeysün daha iyi, TCF büyüdükçe temas kaybının daha yüksek olduğu kabul edilmektedir. Tədqiqatda 0,05, 0,10 və 0,15 dəyərləri dəyərləndirilmişdir.

TCF birbaşa her prototip üçün bşəbəkəımsız ölçülmüş tek bir parametre kimi məlumatlmemiştir. Bunun yerine üç TCF dəyəriyle hesaplanan performans bantları eksperimental noktalarla qarşılaştırılmıştır. Bu nedenle uyum, tamamen əvvəlden sabitlenmiş tek bir parametreyle strukturlan kör tahmin değil, olası temas kalitesi aralığıyla strukturlan model müqayisəsıdır.

Temas müqaviməti elektriksel performansı nasıl değiştirmiştir?

Temas müqaviməti yükseldiğinde dış səthler arasında tətbiq edilən temperatur fərqinın daha kiçik bölümü n- və p-tipli ayaqlara ulaşır. Sonuç kimi:

• Etkin ayaq temperatur fərqi azalır.
• Açık devre gərginliki düşer.
• Yük altındaki axınm azalır.
• En yüksek güç düşer.
• Dönüşüm səmərəi azalır.
• Aynı elektrik çıktistilik üçün gereken istilik girişi artar.
• En uygun elektrik yükü daha yüksek dirence kayar.

Sayfa 21’deki Şekil 8a, TCF sıfır kabul edildiğinde modelin eksperimental güç noktalarının üzərində kaldığını göstərir. Şekil 8b’də TCF 0,05–0,15 aralığı eklendiğinde eksperimental noktalar model bantları üçüne və ya yaxınnına gelmektedir.

Thevenin ekvivalenti ne amaçla istifadə edilmişdir?

Modül, elektriksel açıdan bir ekvivalent gərginlik kaynşəbəkəı və seri müqavimətle temsil edilmiştir:

\[ V_{\mathrm{eq}} = N_{\mathrm{couple}} \bar{\alpha} \Delta T' \frac{\theta_{\mathrm{TE}}} {\theta_{\mathrm{TE}}+2\theta_{\mathrm{shell}}} \]

Bu ifade, dış temperatur fərqinın yalnızca bir bölümünün etkin ayaq temperatur fərqina dönüştüğünü göstərir.

Eşdəyər müqavimət isə ayaq və izlerin elektrik müqavimətinin yanında elektrodermal bşəbəkəlaşımın oluşturduğu ek terimi də içermektedir. Yük müqaviməti ekvivalent iç dirence yaklaştığında elektriksel güç ən yüksək dəyərine yaklaşır. TCF değiştiğinde ekvivalent mənbə gərginliki və en uygun yük də değişmektedir.

Dönüşüm səmərəi nasıl hesablanmışdır?

Gerçek modul səmərəi isti tərəftan alınan istilikya görə:

\[ \eta_{\mathrm{actual}} = \frac{P_o}{Q_h} \]

biçiminde hesablanmışdır.

Tədqiqat həmçinin üç teorik sınırı raporlamaktadır:

• Carnot səmərəi
• Malzeme \(ZT\)’sine bşəbəkəlı ən yüksək teorik termoelektrik səmərə
• En yüksek güç noktasındaki teorik səmərə

Carnot səmərəi:

\[ \eta_{\mathrm{Carnot}} = \frac{T_h-T_c}{T_h} \]

və orta \(ZT\)’ye dayalı ən yüksək teorik çevrilmə səmərəsi:

\[ \eta_{\max} = \frac{T_h-T_c}{T_h} \frac{ \sqrt{1+\overline{ZT}}-1 }{ \sqrt{1+\overline{ZT}}+T_c/T_h } \]

şeklinde hesablanmışdır. Gerçek modul səmərəi; temas, altlık, mis izi, lehim və yük eşleşmesi itkiları nedeniyle bu teorik sınırların altında kalmaktadır.

TEMsim çözüm axınşı nasıl tədqiqatktadır?

Sayfa 14’teki Şekil 4, hesablama axınşını yedi ana bölümde göstərir:

1. Modül ölçüleri, hedef doluluq nisbəti, kenar boşluqları və ayaq boyutları tanımlanır.
2. En yaxınn üretiləbilir ızgara və n-p ayaq sayistilik seçilir.
3. Isıl sınır şərtlərı, yük müqaviməti və temas faktörü girilir.
4. Yerel temperaturlara görə Seebeck, keçiricilik və Thomson katsayıları hesaplanır.
5. Isıl müqavimət şəbəkəı və elektrik devresi birlikte çözülür.
6. Bacak uç temperaturları gevşetme faktörüyle güncellenir və yaxınlaşma denetlenir.
7. Gerilim, axınm, güç, istilik girişi, səmərə və \(ZT\) ölçütleri raporlanır.

Başlangıçta ayaq uç temperaturları dış sıcak və soyuq səth temperaturlarına eşit kabul edilmektedir. Her yinelemede temas və altlık itkiları hesaplanarak gerçek ayaq temperaturları yeniden belirlenir.

Doğrusal olmayan salınımları azaltmak üçün en az 0,3 dəyərinde bir gevşetme katsayistilik kullanılmaktadır:

\[ T_{\mathrm{new}} = T_{\mathrm{prev}} + \omega \left( T_{\mathrm{calculated}}-T_{\mathrm{prev}} \right) \]

Gerilim və temperatur üçün iki ayrı yaxınlaşma ölçütü uygulanmış və görəli tolerans \(10^{-3}\) kimi müəyyən edilmişdir.

Doluluk nisbətina bşəbəkəlı tasarım alanı ne göstərmişdir?

Sayfa 17’deki Şekil 6, istiliktıcı temperaturu 50, 100, 150 və 200 °C; soyuq səth 20 °C və ayaq yüksekliği 0,46 mm iken doluluq nisbətinın şu ölçütlere etkisini göstərir:

• En yüksek güç noktası gərginliki
• En yüksek güç noktası axınmı
• En uygun yük müqaviməti
• Elektrik gücü

Doluluk nisbəti arttıkça cüt sayı azaldığı üçün gərginlik düşme eğilimindedir. Bacakların toplam kesit alanı büyüdüğü üçün axınm artar və ən uyğun yük müqaviməti azalır. Güç isə tek yönlü değişmemekte; gərginlik ilə axınm arasındaki dengeye bşəbəkəlı kimi orta bir doluluk bölgesinde ən yüksək dəyəre ulaşabilmektedir.

TCF 0,05’ten 0,15’e yükseldiğinde bütün temperatur şərtlərində güç eğriləri aşşəbəkəı kaymıştır. Bu durum geometri optimallaşdırmaunun kontakt müqavimətinden bşəbəkəımsız strukturlamayacşəbəkəını göstərir.

TEM-1029 fiziksel kimi nasıl yaradılmışdır?

Sayfa 18’deki Şekil 7b, prototipin qatlarını kesit şemasıyla göstərir. Yapıda şu komponentlər bulunmaktadır:

• Üst və alt Al₂O₃ keramik altlıqlar
• ENIG səth kaplamalı kademeli mis genleşme rahatlatma elektrodları
• Üst mis elektrod qatları
• Alt mis uyum qatları
• Yüksek temperatur sert lehim keçidları
• SAC305, yani Sn96,5-Ag3,0-Cu0,5 lehim keçidları
• Ni-Ag-Au tabanlı metallaşdırma və diffuziya baryeri
• n- və p-tipli Bi₂Te₃ ayaqlar

Şekil 7d’də üst keramik altlıq eklenmeden əvvəl 49 × 42 konumlu mikro-ayaq dizisi görülmektedir. Tədqiqat, binlerce bacşəbəkəı tek modulde birleştirebilmek üçün material istehsali, hassas kesme, metallaşdırma və aşamalı lehimleme içeren bir istehsal axınşı kullanıldığını belirtmektedir.

Ayrıntılı istehsal adımları Şekil S3–S8’e yönlendirilmiştir. Bu ek şəkiller yüklenen sürümde bulunmadığı üçün ayaq kesme səmərəi, hizalama toleransı, lehim boşluğu dşəbəkəılımı və kusurlu modul nisbətları incelenememiştir.

Deney düzeneği nasıl hazırlanmışdır?

Sayfa 18’deki Şekil 7c’də modul dikey bir istilik axınş düzeninde iki blok arasına yerleştirilmiştir:

• Üstte kartric qızdırıcılar içeren sıcak blok
• Altta soyuducuya bşəbəkəlı sıvı dolaşımlı soğuk blok
• Üst və alt səthlerde termocütlar
• Veri toplama sistemi
• Ayarlanabilir sıxma düzeneği
• Sıkıştırma yayları
• İsteğe bşəbəkəlı kuvvet sensörü
• Seramik və köpük termal izolyasiya parçaları
• Elektronik yük

Yüksek temperaturlarda mika və ya qrafit, orta və aşşəbəkəı temperaturlarda termal yşəbəkə və ya ped istifadə edilmişdir. Sıcak səth kartric qızdırıcılarla kademeli kimi istiliktılmış; soyuq səth bir soyuducu aracılığıyla təxminən 20–50 °C aralığında tutulmuştur.

Her temperatur noktasında sistem təxminən 5–10 dəqiqə sabit duruma gelene kadar bekletilmiştir. Sıcaklıklar birden fazala konumdan kaydedilmiş; Fourier yasasıyla istilik axını və değişen elektrik yüklerinde çıkış gücü müəyyən edilmişdir.

Sıkıştırma kuvveti neden kontrol edilmiştir?

Modül səthindeki kontakt müqaviməti, interfeys materialsinin kalınlığı və gerçek temas alanıyla ilişkilidir. Sıkıştırma artırıldığında boşluqlar azalabilir və kontakt müqaviməti düşebilir. Lakin aşırı kuvvet kırılgan Bi₂Te₃ ayaqlara və ya lehim keçidlarına zarar verebilir.

Tədqiqat, xüsusilə qrafit levha gibi yüksek təzyiq gerektiren interfeys materiallarinde 50 psi üzərindəki təzyiqların gerekebiləceğini belirtmektedir. Bununla belə ana mətnde fərqli sıxma kuvvetlerinde ölçülmüş ayrı bir performans cədvəlsu və ya optimum təzyiq dəyəri sunulmamıştır.

Model hangi eksperimental məlumatlarle qarşılaştırılmıştır?

Rastgele seçildiği belirtilən dört TEM-1029 modulü, soyuq tərəf təxminən 50 °C’də tutulurken fərqli temperatur farklarında sınanmıştır. Sayfa 21’də şu eksperimental böyüklükler göstərilmişdir:

• Elektrik gücü
• Gerekli istilik girişi

Gerilim, axınm, açıq dövrə gərginliyi və səmərə üçün model eğriləri gösterilmiş, lakin bu dört değişkene ait eksperimental noktalar ana şəkilde yer almamıştır. Şekil açıklaması genel kimi bütün performans ölçütlerinde uyum bulunduğunu ifade etse də görsel eksperimental müqayisənın birbaşa sunulduğu əsas böyüklükler güç və istilik girişidir.

Yaklaşık 15 °C temperatur fərqinda eksperimental güç 0,1 W civarında, 40–45 °C aralığında isə təxminən 1,0–1,4 W düzeyindedir. Aynı temperatur aralığında lazımlı istilik girişi təxminən 35 W’tan 90–100 W düzeyine çıkmaktadır. Bunlar qrafikten təxminən okunan dəyərlerdir; tədqiqat ayrı bir sayısal məlumat cədvəlsu sşəbəkəlamamıştır.

Isıl kontakt müqaviməti eklenmeden model neden başaristilikz olmuştur?

TCF sıfır alındığında bütün dış temperatur fərqinın ayaqlara ulaştığı varsayılmaktadır. Bu ideal kabul:

• Seebeck gərginlikini fazala hesaplamış,
• axınmı və gücü fazala hesaplamış,
• eyni temperatur fərqi üçün gereken istilikyı düşük hesaplamıştır.

Deneyde isə seramik, lehim, mis və dış interfeyslərde ek temperatur düşümleri bulunmaktadır. TCF eklendiğinde ayaqların gerçek \(\Delta T\) dəyəri küçülmüş və model eksperimental məlumatye yaklaşmıştır.

Model-təcrübə uyumu ne kadar güclüdür?

Deneysel noktaların çoğu TCF 0,05–0,15 model bandının üçünde və ya yaxınnındadır. Bu durum modelin temas itkilarını hesaba kattığında genel eğilimi yakalayabildiğini desteklemektedir.

Lakin uyumun nicel gücü məhdud raporlanmıştır:

• Yalnızca dört modul örneği istifadə edilmişdir.
• Modüllerin her temperaturta kaç kez tekrarlandığı açıklanmamıştır.
• Hata çubukları məlumatlmemiştir.
• TCF her modul üçün bşəbəkəımsız ölçülmemiştir.
• RMSE, orta mutlak xəta və ya yüzde xəta raporlanmamıştır.
• Model geliştirme və doğrulama üçün ayrı modul grupları tanımlanmamıştır.

Bu nedenle “güclü uyum” sonucu görsel və eğilimsel düzeydedir; kesin bir proqnoz xəta sınırı məlumatlmemiştir.

Yük müqaviməti performansı nasıl etkiləmiştir?

Sayfa 22’deki Şekil 9, 50, 100, 150 və 200 °C temperatur farklarında elektrik yük müqavimətinin güç, gərginlik və axınma etkisini göstərir.

Yük müqaviməti sıfıra yaxınnken axınm yüksek lakin yük üzərindəki gərginlik düşük olduğu üçün elektrik gücü düşüktür. Yük müqaviməti çox yüksek olduğunda gərginlik açık devre dəyərine yaklaşır lakin axınm azalır. İki uç arasında maksimum güc noktası bulunmaktadır.

TCF yükseldiğinde:

• Tepe güç azalmışdır.
• Tepe güç noktası daha yüksek yük müqavimətine kaymıştır.
• Bütün yük aralığında gərginlik və axınm düşmüşdür.

Tablodaki dəyərler Şekil 9’dan təxminən okunmuştur və ölçülmüş təcrübə nəticələri değildir.

Sıcaklık-performans xəritəları ne sşəbəkəlamaktadır?

Sayfa 23–24’teki Şekil 10 və 11, soyuq tərəf temperaturu ilə modul temperatur fərqinın çox sayıda kombinasyonu üçün şu nəticələri göstərir:

• Gerekli istilik girişi
• Etkin termal keçiricilik
• Modül çevrilmə səmərəsi
• Elektrik gücü
• Gerilim
• Akım

Haritalar TCF 0,05, 0,10 və 0,15 üçün ayrı ayrı hesablanmışdır. Bu struktur, bilinen temperaturlar altında çıktı hesablamanın yanında, bilinen soyuducu temperaturu və istilik axınından modulün etkin tədqiqat noktası ilə elektrik çıktistiliknın geriye doğru belirlenmesine olanak vermektedir.

Tədqiqatçılar bu çıktıları istilik dəyişdiricisi CFD modellerine girdi kimi kullanmayı təklif edir. Lakin bu tədqiqatda bütünlhədd bir gerçek istilik dəyişdiricisi, geotermal kuyu və ya sənaye egzoz sistemi eksperimental kimi kurulmamıştır.

50 modullük keyfiyyət nəzarəti sonucu nedir?

Ana mətn, 50 modulden yaranan bir partide Harman üsuluyle təxminən 0,75–0,83 modul düzeyi \(ZT\) dəyərləri elde edildiğini bildirmektedir. Bu nəticə, seri istehsal tutarlılığı açistilikndan mühüm olabilir.

Bununla belə ayrıntılı ölçmələr, dşəbəkəılım qrafikleri, cihaz kalibrasiyau və düzeltmeler Şekil S22 ilə Tablo S5–S6’ya yönlendirilmiştir. Ek materyal yüklenmediği üçün:

• 50 ölçməün dşəbəkəılımı,
• orta və standart sapması,
• aykırı dəyərler,
• ölçmə belirsizliği,
• radyasyon və dış istilik kaybı düzeltmeleri

bu incelemede doğrulanamamıştır.

Ayrıntılı termoelektrik ayaq həlledicisü neden geliştirilmiştir?

TEMsim modul ölçeğinde orta xüsusilərle sürətli hesablama yapmaktadır. Büyük temperatur farklarında və ya uzun ayaqlarda temperatur profili doğrusal olmaktan uzaklaşabilir. Joule istiliknması, Thomson etkisi və sıcaklığa bşəbəkəlı material xüsusiləri ayaq boyunca yerli istilik axınını değiştirebilir.

Bu nedenle tədqiqatçılar her bacşəbəkəı çox sayıda uzaysal parçaya bölen ayrı bir tek boyutlu sınır dəyər həlledicisü geliştirmiştir. Çözücü, temperatur \(T(x)\) və istilik axını \(q(x)\) alanlarını eyni anda ilərletmektedir:

\[ \frac{dT}{dx} = \frac{JT\alpha(T)-q} {k(T)} \]

\[ \frac{dq}{dx} = \sigma(T)J^2 \left[ 1- \frac{\alpha^2(T)T} {\sigma(T)k(T)} \right] - \frac{J\alpha(T)} {k(T)}q \]

Burada \(J\) cərəyan sıxlığı, \(\alpha(T)\) Seebeck katsayistilik, \(\sigma(T)\) elektrik ilətkenliği və \(k(T)\) termal keçiriciliktir.

Yürüyen çözüm algoritması nasıl tədqiqatktadır?

Bacak soğuk uçtan sıcak uca eşit uzunlukta parçalara ayrılır. Soğuk uç temperaturu bilinir; lakin soğuk uç istilik axını başlanğıcta bilinmez. Algoritma şu adımları uygular:

1. Soğuk uç istilik axını üçün bir deneme dəyəri seçilir.
2. Sıcaklık və istilik axını soğuk uçtan sıcak uca doğru parça parça hesaplanır.
3. Her parçada əvvəl tahmin, ardından orta nokta xüsusiləriyle düzeltme strukturlır.
4. Hesaplanan sıcak uç temperaturu ilə hedef temperatur arasındaki fark bulunur.
5. Farklı işaretli iki istilik axını çözümü bulunarak kök aralığı oluşturulur.
6. MATLAB fzero işleviyle doğru soğuk uç istilik axını belirlenir.
7. Son temperatur və istilik axını profilleri yeniden hesaplanır.

Arama əvvəl əvvəlki tədqiqat noktasının çevresinde dar bir aralıkta strukturlmakta; işaret değişimi bulunamazsa aralık kademeli kimi ±3, ±8 və ±80 ilətim ölçeğine genişletilmektedir. En geniş aralıkta da fiziksel çözüm bulunamazsa seçilən cərəyan sıxlığınun sabit bir çözüm üretmediği kabul edilmektedir.

Tek ayaq səmərə nəticələri nelerdir?

Sayfa 28’deki Şekil 13, 0,5 × 0,5 × 0,46 mm ayaqlar üçün soyuq tərəf 50 °C və isti tərəf 150 °C iken səmərə-cərəyan sıxlığı eğrilərini göstərir.

Akım sıxlığı işaretlerinin fərqli olması, n- və p-tipli ayaqlardaki axınm yönü işaret kuralından mənbəlanmaktadır. Bu ayaqlar gerçek modulde elektriksel kimi seri bşəbəkəlandığı üçün fiziksel devre axınmı eynidır; kesit və işaret tanımlarına görə yerli cərəyan sıxlığı yönleri fərqli gösterilmektedir.

Bacak üçündeki temperatur və istilik axını profilleri nasıldır?

Sayfa 29’daki Şekil 14’te temperatur, 0,46 mm ayaq yüksekliği boyunca təxminən 323 K’den 423 K’ye tek yönlü kimi yükselmektedir. Profil tamamen düz değildir.

Isı akistilik da ayaq boyunca sabit kalmamaktadır. P-tipi nümunəte istifadə edilən cərəyan sıxlığı təxminən −262,24 A/cm² və soğuk uç istilik axını təxminən −7,107 × 10⁵ W/m²’dir. N-tipi nümunəte cərəyan sıxlığı təxminən 216,73 A/cm² və soğuk uç istilik axını təxminən −5,846 × 10⁵ W/m²’dir.

Isı akistilikndaki uzaysal değişim, iç Joule istiliknması ilə sıcaklığa bşəbəkəlı termoelektrik taşımanın ayaq üçünde enerji üretip yeniden dşəbəkəıtmasından mənbəlanmaktadır.

Tədqiqatın güclü yönleri nelerdir?

• Sıcaklığa bşəbəkəlı n- və p-tipli material xüsusiləri modele birbaşa eklenmiştir.
• Modül geometrisi, doluluq nisbəti, ayaq boyutu və keçid müqaviməti eyni tasarım axınşında araşdırılmışdır.
• Isıl kontakt müqaviməti boyutsuz TCF ilə açık biçimde modellenmiştir.
• Joule və Thomson etkiləri yarı analitik çözümde dikkate alınmıştır.
• TEMsim sürətli tasarım taraması üçün geliştirilmiş və MATLAB’da tətbiq edilmişdir.
• Üç fərqli sıxlıqta modul tasarımı sayısal kimi qarşılaştırılmıştır.
• 1.029 cüt və 2.058 ayaqtan yaranan fiziksel bir prototip istehsal edilmişdir.
• Gerçek modul kesit strukturu və istehsal əvvəlsi ayaq dizisi görsel kimi göstərilmişdir.
• Kontrollü sıcak və soğuk bloklardan yaranan təcrübə düzeneği kurulmuştur.
• Temas müqaviməti içeren və içermeyen model nəticələri birbaşa qarşılaştırılmıştır.
• Dört modulden alınan eksperimental güç və istilik girişi noktaları modele qarşı göstərilmişdir.
• Yük müqaviməti və temperatur sınır şərtlərı üçün geniş performans xəritəları yaradılmışdır.
• Doğrusal olmayan tek ayaq temperatur və istilik axını həlledicisü geliştirilmiştir.
• Yöntem, yüksək gərginlikli modullarin istilik dəyişdiricisi və sistem tasarımına bşəbəkəlanabilmesine olanak vermektedir.

Tədqiqatın başlıca məhdudlıkları nelerdir?

• Tədqiqat rəyçi qiymətləndirməsindən keçməmişdir.
• Ek bilgi dosyaları yüklenen sürümde bulunmamaktadır.
• Malzeme sintezi və taşıma özelliği ölçmə üsulleri ana mətnde yetərli ayrıntıyla məlumatlmemiştir.
• ANSYS müqayisəsının ayrıntıları yalnız ek materyale yönlendirilmiştir.
• Deneysel model müqayisəsı yalnızca dört module dayanmaktadır.
• Deneylerde xəta çubuğu, standart sapma və ya etibarlılıq intervalı məlumatlmemiştir.
• Model-təcrübə farkı üçün RMSE, MAE və ya yüzde xəta raporlanmamıştır.
• TCF her modul üçün bşəbəkəımsız kimi ölçülmemiş, 0,05–0,15 bantlarıyla dəyərləndirilmişdir.
• Sıkıştırma kuvvetinin performansa etkisi üçün nicel ana nəticə məlumatlmemiştir.
• 50 modullük Harman ölçmələrinin ayrıntıları yalnız ek materyaldedir.
• Uzun müddətli termal dövr və mexaniki yorulma təcrübələri raporlanmamıştır.
• Lehim, metallaşdırma və ya ayaq arızalarının dşəbəkəılımı məlumatlmemiştir.
• Üretim səmərəi və kusurlu modul nisbəti açıklanmamıştır.
• Modül adlandırması ilə ızgara/ayaq/cüt sayıları bazı tasarımlarda tutarlı değildir.
• Geometri eksenleri və bazı değişken adlarında yazım və ya gösterim qeyri-müəyyənlikleri bulunmaktadır.
• Sıcaklık dizisi və Thomson katsayistilik tənliklerinde indeks sınırları açık değildir.
• Açık devre gərginlikinde orta Seebeck və ayrı Thomson düzeltmesinin nasıl ayrıştırıldığı bşəbəkəımsız kimi təsdiqlənməmişdir.
• TEMsim kodu açık bir depoda paylaşılmamıştır.
• Ham təcrübə məlumatlari üçün açık məlumat keçidsı məlumatlmemiştir.
• Gerçek geotermal və ya sənaye tullantistilik istilik kaynşəbəkəında saha təcrübəi strukturlmamıştır.
• Isı eşanjörü, pompa, soyuducu və güç elektroniği dâhil sistem səmərəi hesaplanmamıştır.
• Ekonomik maya dəyəri, geri ödəmə müddəti və watt başına istehsal maya dəyərii sunulmamıştır.

Tədqiqat neyi desteklemektedir?

• Sıcaklığa bşəbəkəlı material xüsusiləri və kontakt müqaviməti içeren yarı analitik modelin modul tasarımında kullanılabiləceğini desteklemektedir.
• Isıl kontakt müqavimətinin ihmal edilmesinin güç və səmərəin fazala tahmin edilmesine yol açtığını göstərir.
• Yüksek cüt sayının düşük doluluq nisbətina rşəbəkəmen gərginlik və güç avantajı sşəbəkəlayabiləceğini göstərir.
• 0,5 mm ayaqlarla 1.029 cütin tek modulde fiziksel kimi birleştiriləbildiğini göstərir.
• TEM-1029’un araşdırılan sayısal şərtlərda TEM-342 və TEM-696’dan daha yüksek pik güc ürettiğini göstərir.
• Dört prototipten əldə edilən güç və istilik girişi ölçmələrinin TCF 0,05–0,15 model bandıyla genel uyumunu göstərir.
• Temas kalitesinin optimum yük müqavimətini değiştirebildiğini göstərir.
• Tek ayaq temperatur və istilik axını profillerinin doğrusal olmayan biçimde hesaplanabiləceğini göstərir.
• Yöntemin fərqli modul geometrilərinin sürətli biçimde qarşılaştırılması üçün kullanılabiləceğini desteklemektedir.

Tədqiqat neyi sübut etmir?

• TEM-1029’un bütün temperatur və temas şərtlərində en iyi termoelektrik tasarım olduğunu sübut etmir.
• 0,5 mm ayaqların bütün üreticilər üçün ekonomik və ya yüksek səmərəli olduğunu göstermez.
• 24,18 W və ya təxminən 40 W model nəticələrinın saha ortamında müddətkli elde ediləceğini sübut etmir.
• Dört prototipteki uyumun seri istehsalin tamamına genellenebiləceğini göstermez.
• TCF dəyərlərinin bütün modul ömrü boyunca sabit kalacşəbəkəını göstermez.
• 50 modullük partinin uzunmüddətli inamılirliğini sübut etmir.
• Modülün termal dövr, titreşim, nem və ya oksidləşmə altında dayanıklı olduğunu göstermez.
• Jeotermal və ya sənaye tullantistilik istilik sisteminin toplam çevrilmə səmərəsini ölçmez.
• Isı eşanjörü və soğutma üçün gereken yardımcı enerjiyi hesaba katmaz.
• Yüksek gərginlikli panel düzeyinde seri-paralel birləşmənin inamılirliğini eksperimental kimi göstermez.
• Tek ayaq üçün hesaplanan yüzde 5,40 və yüzde 4,99 səmərəlerin bütün modul səmərəi olduğunu göstermez.
• Ekonomik geri ödəmə, karbon azaltımı və ya yatırım fizibilitesi hakkında məlumat sunmaz.

Tədqiqatın Yöntemi və Bulguları

Araşdırma tasarımının teknik özeti

TEM-1029 prototipinin xüsusiləri

Üç tasarımın yüksək temperatur noktası müqayisəsı

Karşılaştırma \(T_c=20\ ^\circ\mathrm{C}\), \(T_h=200\ ^\circ\mathrm{C}\) və TCF = 0,10 model şərtuna aittir. TEM-342 və TEM-696 adlarındaki sayıların ızgara hücreleriyle, TEM-1029 adının isə n-p cüt sayıyla ilişkiləndirilmesi nedeniyle mənbəta adlandırma tutarsızlığı bulunmaktadır.

Temas faktörünün etkisi

Deneysel doğrulamanın kapsamı

Tek ayaq həlledicisünün nəticələri

Ana şəkillerin əsas mesajları

• Şekil 1: n- və p-tipli Bi₂Te₃ materiallarin 300–500 K aralığındaki Seebeck katsayistilik, elektrik ilətkenliği, termal keçiricilik, güç faktörü, \(ZT\) və toplam Seebeck farkını göstərir.
• Şekil 2: Yüksek sıxlıqlu S biçimli ardıcıl keçidyı, fərqli doluluk hedeflerini və ayaq boyutuna görə üretiləbilən ızgaraları göstərir.
• Şekil 3: Seramik altlık, mis izi və termoelektrik ayaqlardan yaranan qatlı strukturyı və beş komponentli istilik müqaviməti şəbəkəını göstərir.
• Şekil 4: Geometrik tasarımdan sıcaklığa bşəbəkəlı material hesabına, termal-elektrik şəbəkə çözümüne və yaxınlaşma denetimine uzanan TEMsim axınşını göstərir.
• Şekil 5: TEM-342, TEM-696 və TEM-1029 tasarımlarında ayaq boyutu, doluluq nisbəti, ayaq yüksekliği, V-I və P-I ilişkilərini müqayisəktadır.
• Şekil 6: TCF 0,05, 0,10 və 0,15 altında doluluq nisbətina bşəbəkəlı gərginlik, axınm, yük müqaviməti və güç değişimini göstərir.
• Şekil 7: Prototipin çox qatlı kesitini, 49 × 42 ayaq dizisini və kontrollü sıcak-soğuk blok təcrübə düzeneğini göstərir.
• Şekil 8: Temas müqaviməti bulunmayan modelin eksperimental gücü fazala tahmin ettiğini, TCF eklendiğinde eksperimental məlumatye yaklaşmayı göstərir.
• Şekil 9: Farklı temperatur farkları və TCF dəyərlərinde yük müqavimətine bşəbəkəlı güç, gərginlik və axınm eğrilərini göstərir.
• Şekil 10: Gerekli istilik girişi, etkin termal keçiricilik və çevrilmə səmərəsinin sıcak və soğuk sınır şərtlərindəki xəritəlarını göstərir.
• Şekil 11: Aynı temperatur alanında elektrik gücü, gərginlik və axınm xəritəlarını göstərir.
• Şekil 12: Tek ayaqta temperatur və istilik axınını parça parça çözen tahmin-düzeltme algoritmasını göstərir.
• Şekil 13: n- və p-tipli ayaqların səmərə-cərəyan sıxlığı eğrilərini və kök bulma artıklarının yaxınlaşmasını göstərir.
• Şekil 14: 0,46 mm ayaq yüksekliği boyunca temperatur və istilik axını profillerini göstərir.

Kanıt düzeyine görə tapıntıların durumu

Mənbə və Metod Qeydi

Tədqiqatın tam özgün adı: Predictive Design of Scalable High Voltage and High Density Thermoelectric Modules for Energy Harvesting and Heat Recovery

Yazarlar: Ziming Jing, Kirk Nuzum və Mukul Sharma.

Yazar ardıcıllıqlaması: Ziming Jing birinci, Kirk Nuzum ikinci və Mukul Sharma üçüncü müəllifdır.

Eşit töhfə bilgisi: Yüklenen sürümde bərabər töhfəda bulunan müəllif bildirimi yer almamaktadır.

Sorumlu müəllif: Ziming Jing.

Sorumlu müəllif e-postası: ziming.jing@utexas.edu

Kurumsal keçidlar:

1. University of Texas at Austin, Austin, ABD.
2. Geothermix LLC, Austin, ABD.

Yazar–qurum eşleştirmesi:

• Ziming Jing: University of Texas at Austin.
• Kirk Nuzum: Geothermix LLC.
• Mukul Sharma: University of Texas at Austin.

DOI:10.2139/ssrn.7197181

Yayın platformau: SSRN.

Resmî mənbə keçidsı:SSRN tədqiqat kaydı

Yayın yılı: 2026.

Sayfa sayistilik: 32.

Qaynaq türü: Yarı analitik modelleme, modul tasarımı, fiziksel istehsal və kontrollü eksperimental doğrulama içeren termoelektrik mühendisliği preprinti.

Hakemlik durumu: Tədqiqat rəyçi qiymətləndirməsindən keçməmişdir. Bütün sayfalarda “This preprint research paper has not been peer reviewed” uyaristilik bulunmaktadır.

Dergi: Hakemli bir jurnal adı, kabul kararı, cilt, sayı və ya son makale numarası yer almamaktadır.

Yayınevi: Nihai hakemli nəşr üçün nəşriyyat bilgisi bulunmamaktadır. İncelenen sürüm SSRN preprintidir.

Finansman: University of Texas at Austin’də gerçekleştirilən tədqiqatın ABD Enerji Bakanlığı tarafından kısmen desteklendiği qeyd edilmişdir. Fon və ya hibe numarası məlumatlmemiştir.

Diğer destek: Yazarlar Geothermix’e, University of Texas at Austin PGE Machine Shop’a və sistem kurulumu ilə geliştirilmesine töhfə sşəbəkəlayan Daryl Nygaard’a teşekkür etmiştir.

Çıkar çatışması: Yüklenen sürümde açık bir maraqlar toqquşması beyanı yer almamaktadır. Yazarlardan Kirk Nuzum’un Geothermix LLC keçidsı bulunmaktadır; bunun tədqiqat tasarımı və ya kommersiya ürünle ilişkisi həmçinin açıklanmamıştır.

Yazar töhfəları: Yüklenen sürümde CRediT və ya müəllif bazında ayrıntılı töhfə bildirimi bulunmamaktadır.

Veri erişimi: Ham təcrübə məlumatlari üçün açık depo və ya indirme keçidsı məlumatlmemiştir.

Kod erişimi: TEMsim’in MATLAB’da geliştirildiği belirtilmiş, lakin açık mənbə deposu və ya çalıştırılabilir kod paylaşılmamıştır.

Ek materyal durumu: Tədqiqat Şekil S1–S24, Tablo S1–S6 və çeşitli ek notlara atıf yapmaktadır. Bu destekleyici bilgi dosyaları yüklenen sürümde bulunmamaktadır. Üretim axınşı, ANSYS müqayisəsı və 50 modullük Harman keyfiyyət nəzarətiü bu nedenle tam kimi incelenememiştir.

Etik kurul: Tədqiqat insan və ya hayvan katılımcı içermeyen material və enerji mühendisliği araşdırmasıdır. Etik kurul bilgisi yer almamaktadır.

Bu Türkçe açıklama yalnızca yüklenen tədqiqatın ana metni, tənlikleri, iki ana cədvəlsu, eksperimental açıklamaları və Şekil 1–14’te gösterilən nəticələr əsas alınarak hazırlanmışdır. Tədqiqatda bulunmayan bir saha təcrübəi, uzunmüddətli inamılirlik sonucu, istehsal maya dəyərii, ekonomik geri ödəmə və ya sistem düzeyi enerji səmərəi eklenmemiştir. Dış mənbəlar yalnızca tədqiqatın başlığı, müəlliflərı, DOI’si, ilətişim müəllifı, SSRN kaydı və nəşr durumunun bibliyoqrafik doğrulanması üçün istifadə edilmişdir.

Tədqiqatın en güclü kanıtı, 1.029 cütli TEM-1029 prototipinin fiziksel kimi üretilmesi və kontakt müqavimətini içeren modelin dört modulden əldə edilən güç və istilik girişi ölçmələrinin genel eğilimini yakalamasıdır. En mühüm raporlama əskikliği isə eksperimental qeyri-müəyyənliklerin və model xətasının sayısal kimi məlumatlmemesi, doğrulamanın yalnız dört nümunəle məhdud kalması və ayrıntılı destekleyici nəticələrin yüklenmeyen ek materyale bıraxınlmasıdır.

TEM-1029 üçün 24,18 W sonucu 20 °C soyuq səth, 200 °C isti səth və TCF 0,10 sayısal şərtuna aittir. Yaklaşık 40 W düzeyindeki nəticə isə 200 °C temperatur fərqi və TCF 0,05 model eğrisinden okunmaktadır. Bunlar dört modulle gerçekleştirilən aşşəbəkəı temperatur farkı təcrübələrinin ölçülmüş güçleri değildir.

Tek ayaq həlledicisünde bildirilən yüzde 5,40 və yüzde 4,99 dəyərləri, 50–150 °C sınır temperaturlarında ayrı p- və n-tipli ayaqlar üçün hesaplanan optimum çevrilmə səmərəleridir. Bunlar TEM-1029’un bütün qatları və temas itkiları dâhil modul düzeyi eksperimental səmərəi kimi yorumlanmamalıdır.

Modelin gerçek mühendislik tasarımında kullanılabilmesi üçün açık kod paylaşımı, bşəbəkəımsız təcrübə laboratoriyaında tekrar, her modul üçün birbaşa kontakt müqaviməti ölçməü, qeyri-müəyyənlik analizi, uzunmüddətli termal dövr, istehsal toleranslarının olasılıksal analizi və tam istilik dəyişdiricisi–güç elektroniği sistemiyle saha doğrulaması lazımdır.