Ин таҳқиқот тарҳи модулҳои термоэлектрикии баландшиддат ва зичии баландро меомӯзад, ки фарқи ҳарорат байни сатҳи гарм ва сатҳи сардтарро мустақиман ба энергияи барқӣ табдил медиҳанд. Тадқиқотчиён ҳалкунандаи босуръати нимтаҳлилиеро бо номи TEMsim таҳия кардаанд, ки тағйироти хусусиятҳои мавод бо ҳарорат, андозаи пояҳои термоэлектрикӣ, коэффисиенти пуршавӣ дар дохили модул, муқовимати барқии пайвастҳои мисӣ, муқовимати гармии зерқабатҳои сафолӣ ва талафоти тамоси гармӣ дар интерфейсҳои поя-электродро якҷоя ба назар мегирад.

Масъалаи асосии муҳандисии таҳқиқот муомилаест, ки ҳангоми пайвасти пайдарпайи шумораи зиёди ҷуфтҳои термоэлектрикӣ барои гирифтани шиддати баланд пайдо мешавад. Пояҳои хурд бо ҷойгир кардани ҷуфтҳои бештари n-p дар як масоҳати сатҳ шиддатро зиёд мекунанд; аммо хурд шудани масоҳати буриши онҳо муқовимати барқӣ, душвории истеҳсол ва ҳассосияти кафшеркуниро зиёд мекунад. Пояҳои калон муқовимати барқии пасттар ва коэффисиенти пуршавии баландтар медиҳанд; вале азбаски дар ҳамон масоҳати модул ҷуфтҳои камтар ҷой мегиранд, шиддат паст мешавад ва дар сатҳи система пайвасти пайдарпайи модулҳои бештар лозим мегардад.

Тадқиқотчиён арзёбӣ кардаанд, ки минтақаи зичии миёна бо коэффисиенти пуршавии тақрибан фоиз 35–45 ва паҳнои пояи 0,5–0,9 mm аз ҷиҳати шиддат, қувва, мутобиқати гармӣ ва истеҳсолпазирӣ мутавозинтарин майдони тарҳро ташкил медиҳад. Ин натиҷа оптимуми мутлақи универсалӣ нест; он ба масоҳати сатҳи модул, манбаи гармӣ, баландии поя, муқовимати тамос, шиддати ҳадаф ва маҳдудиятҳои истеҳсол вобаста аст.

Прототипи физикии бо модел роҳнамоишуда 1.029 ҷуфти термоэлектрикии n-p ва дар маҷмӯъ 2.058 пояи бар асоси Bi₂Te₃ дорад. Ҳар поя андозаи 0,5 × 0,5 × 0,46 mm дорад. Коэффисиенти пуршавӣ дар минтақаи фаъоли табдили энергия фоиз 37,83, нисбат ба тамоми сатҳи модул фоиз 32,16 ва зичии ҷуфтҳо 0,757 ҷуфт/mm² гузориш шудааст. Пояҳо дар массиви зичии баланд бо ҷойгиршавии 49 × 42 ва дар масири пайвасти S-шакл, ки аз ҷиҳати барқӣ пайдарпай кор мекунад, ташкил шудаанд.

Дар модел, вақте ҳарорати сатҳи сард 20 °C, ҳарорати сатҳи гарм 200 °C ва омили тамоси гармӣ 0,10 аст, барои TEM-1029 қувваи ҳадди аксар тақрибан 24,18 W, шиддат дар нуқтаи қувваи ҳадди аксар 31,53 V ва ҷараён 0,77 A ҳисоб шудааст. Дар ҳамон шароит қувваҳои ҳадди аксари гузоришшуда барои тарҳҳои дағалтар TEM-342 ва TEM-696 мутаносибан тақрибан 13,07 W ва 17,42 W мебошанд. TEM-1029 бо вуҷуди коэффисиенти пуршавии пасттар, аз сабаби доштани шумораи хеле бештари ҷуфтҳои пайдарпай, дар байни се тарҳ баландтарин шиддат ва қувваи пешбинишударо истеҳсол кардааст.

Муқовимати тамоси гармӣ натиҷаҳои моделро ба таври назаррас тағйир додааст. Вақте интерфейсҳо комил ҳисобида шуданд, модел қувва ва шиддати таҷрибавиро аз ҳад зиёд ва вуруди гармии лозимаро кам ҳисоб кард. Вақте омили тамоси гармӣ ба доираи 0,05–0,15 оварда шуд, қувва, шиддат, ҷараён ва самаранокии ҳисобшуда паст шуданд; вуруди гармии лозима зиёд шуд ва нуқтаҳои таҷрибавӣ ба банди модел наздик гардиданд. Ин нишон медиҳад, ки тамоми фарқи ҳарорати ченшуда байни сатҳҳои гарм ва сард дар худи пояҳои термоэлектрикӣ ба вуҷуд намеояд.

Тасдиқи таҷрибавии таҳқиқот дар чор модули TEM-1029 анҷом дода шуд, ки гуфта мешавад ба таври тасодуфӣ интихоб шудаанд ва сатҳи сарди онҳо тақрибан дар 50 °C нигоҳ дошта шуд. Дар фарқҳои ҳарорати модул тақрибан 15–45 °C қувва ва вуруди гармӣ чен шуданд; нишон дода шуд, ки каҷҳои моделӣ бо дарназардошти муқовимати тамос умуман бо нуқтаҳои таҷрибавӣ мувофиқат мекунанд. Бо вуҷуди ин, дар матни асосӣ сутунҳои хато, тақсимоти такрорҳо, инҳирофи стандартӣ, RMSE ё ягон меъёри дигари рақамии мувофиқат оварда нашудааст.

Дар таҳлили муқовимати бор, бо зиёд шудани омили тамос муқовимати оптималии бор ба арзишҳои баландтар кӯчида ва қувваи қуллавӣ кам шудааст. Барои фарқи ҳарорати модул 200 °C ва омилҳои тамос 0,05, 0,10 ва 0,15 аз графикҳо тақрибан 40 W, 33 W ва 27 W қувваи қуллавӣ хонда мешавад. Дар ҳамин муқоиса муқовиматҳои оптималии бор тақрибан дар доираи 45–51 Ω мебошанд. Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки пайгирии нуқтаи максималии қувваи барқӣ на танҳо ба муқовимати дохилии модул, балки ба сифати интерфейси гармӣ низ вобаста аст.

Тадқиқотчиён инчунин алгоритми муфассалеро таҳия кардаанд, ки тақсимоти ғайрихаттии ҳарорат ва ҷараёни гармиро дар пояҳои алоҳидаи n- ва p-навъ ҳал мекунад. Вақте нӯги сард 50 °C ва нӯги гарм 150 °C аст, барои пояи p-навъ самаранокии ҳадди аксари ҳисобшуда фоиз 5,40 ва зичии оптималии ҷараён −298,2 A/cm²; барои пояи n-навъ самаранокии ҳадди аксар фоиз 4,99 ва зичии оптималии ҷараён 243,6 A/cm² ёфт шудааст. Ин арзишҳо оптимумҳои рақамӣ дар сатҳи як поя мебошанд ва бо самаранокии ченшудаи тамоми модул як мафҳум нестанд.

Аз нигоҳи Туркия: Ин равишро метавон барои истеҳсоли барқи камнигоҳдорӣ аз гармии талафшуда дар чоҳҳои геотермалӣ, кӯраҳои саноатӣ, корхонаҳои рехтагарӣ ва коркарди металл, истеҳсоли семент ва шиша, ихроҷи муҳаррикҳо, системаҳои когенератсионӣ, инфрасохтори хунуккунии марказҳои додаҳо ва сенсорҳои саҳроии дурдаст дар Туркия таҳқиқ кард. Пеш аз татбиқ дар Туркия профили ҳарорат ва ҷараёни гармии манбаи маҳаллӣ чен карда шавад; муқовимати тамоси модул–мубодилагари гармӣ вобаста ба фишор, ноҳамвории сатҳ ва маводи интерфейси гармӣ таҷрибавӣ муайян гардад; даврзании ҳароратӣ, хастагии кафшер, намӣ, оксидшавӣ ва коҳиши дарозмуддати фаъолият санҷида шавад. Аз ин таҳқиқот наметавон мустақиман хулоса кард, ки дар як иншооти муайяни Туркия 24 ё 40 W қувваи пайваста гирифта мешавад, система бозгашти иқтисодӣ медиҳад ё садҳо модул ҳамон фаъолиятро нигоҳ медоранд.

Принсипи асосии табдили энергияи термоэлектрикӣ чист?

Як ҷуфти термоэлектрикӣ аз як пояи нимноқили n-навъ ва як пояи p-навъ бо хусусиятҳои барқии гуногун иборат аст. Вақте ду нӯги пояҳо дар ҳароратҳои гуногун нигоҳ дошта мешаванд, интиқолдиҳандагони заряд аз минтақаи гарм ба минтақаи сард дубора тақсим мешаванд ва фарқи потенсиали барқӣ, ки эффекти Seebeck ном дорад, ба вуҷуд меояд.

Шиддати занҷири кушодаи як ҷуфти n-p хурд аст. Барои гирифтани шиддати баланд шумораи зиёди ҷуфтҳо аз ҷиҳати барқӣ пайдарпай ва аз ҷиҳати гармӣ параллел пайваст карда мешаванд. Дар пайвасти пайдарпай шиддати истеҳсолкардаи ҳар ҷуфт ҷамъ мешавад; гармӣ бошад аз зерқабати гарм ба зерқабати сард тавассути ҳамаи пояҳо ба таври параллел интиқол меёбад.

Азбаски модулҳои термоэлектрикӣ қисмҳои ҳаракаткунанда, насос ё моеъи корӣ талаб намекунанд, метавонанд дар барномаҳои ҷамъоварии энергия бо кори дарозмуддат ва нигоҳдории кам истифода шаванд. Аммо самаранокии табдил ба ғайр аз сифати маводи пояҳо, ба муқовиматҳои тамос, мубодилагарҳои гармӣ, геометрияи поя ва мутобиқкунии дурусти бори барқӣ сахт вобаста аст.

Таҳқиқот кадом холигии асосиро ҳадаф мегирад?

Тадқиқоти маводи термоэлектрикӣ бештар ба баланд кардани арзиши беандозаи \(ZT\) равона мешавад. Аммо кафолат дода намешавад, ки маводи дорои \(ZT\)-и баланд дар модули воқеӣ ҳамон сатҳи фаъолиятро диҳад. Дар сатҳи модул талафоти зерин ба миён меоянд:

• Муқовимати тамоси гармӣ байни поя ва электроди металлӣ
• Муқовиматҳои иловагӣ аз кафшер, металлизатсия ва монеаҳои диффузия
• Муқовимати гармии зерқабати сафолии алюмина
• Муқовимати барқии роҳҳои мисӣ
• Талафоти бастабандӣ аз андоза ва фосилаи пояҳо
• Коэффисиенти Seebeck, ноқилияти барқӣ ва ноқилияти гармӣ, ки бо ҳарорат тағйир меёбанд
• Гармшавии Joule ва эффекти Thomson
• Талафоти интерфейси беруна байни модул ва манбаи воқеии гармӣ ё хунуккунанда

Ҳалҳои унсурҳои ниҳоӣ метавонанд ин таъсирҳоро муфассал нишон диҳанд; вале барои скан кардани ҳазорҳо тарҳ суст ва меҳнатталаб буда метавонанд. Моделҳои соддакардашудаи якандоза тез мебошанд, аммо аксаран хусусиятҳои вобаста ба ҳарорат ё муқовимати тамосро нодида мегиранд. TEMsim мақсад дорад байни ин ду равиш ҳалли тез, вале дорои ҷузъҳои физикии ошкорро пешниҳод кунад.

Чаро маводҳои бар асоси Bi₂Te₃ интихоб шудаанд?

Азбаски манбаъҳои гармии ҳадафи таҳқиқот аз 300 °C пасттаранд, маводҳои n- ва p-навъ бар асоси теллуриди висмут истифода шудаанд. Расми 1 дар саҳифаи 3 шаш хусусияти асосии вобаста ба ҳароратро дар доираи 300–500 K нишон медиҳад:

• Коэффисиенти Seebeck
• Ноқилияти барқӣ
• Ноқилияти гармӣ
• Омили қувва
• \(ZT\)-и беандоза
• Коэффисиенти умумии дифференсиалии Seebeck-и пояҳои n- ва p-навъ

Коэффисиенти Seebeck-и маводи p-навъ ба тақрибан +277 µV/K ва маводи n-навъ ба тақрибан −250 µV/K мерасад. Коэффисиенти дифференсиалии Seebeck байни ду поя дар атрофи 400–425 K ба арзиши ҳадди аксари тақрибан 527 µV/K расидааст. Ин фарқият муайянкунандаи асосии шиддати занҷири кушодаест, ки як ҷуфти n-p барои ҳар воҳиди фарқи ҳарорат метавонад истеҳсол кунад.

Ноқилияти барқӣ бо зиёд шудани ҳарорат кам шудааст. Маводи n-навъ дар тамоми доираи таҳқиқшуда ноқилияти баландтар аз маводи p-навъ нишон додааст. Ноқилияти гармӣ дар атрофи 400–450 K ба арзиши пасттарин расида, дар ҳароратҳои баландтар махсусан дар маводи p-навъ аз сабаби интиқоли гармии bipolar дубора зиёд шудааст.

Арзиши қуллавии \(ZT\)-и маводи n-навъ тақрибан 1,31 ва маводи p-навъ тақрибан 1,52 гузориш шудааст. Ҳар ду қулла дар минтақаи кори тақрибан 375–425 K ҷой доранд. Ин арзишҳо худ аз худ самаранокии модул нестанд; онҳо нишондиҳандаҳое мебошанд, ки хусусиятҳои интиқоли барқӣ ва гармии маводро якҷоя ифода мекунанд.

Хусусиятҳои вобаста ба ҳарорат чӣ гуна ба модел гузаронида шуданд?

Коэффисиенти Seebeck, ноқилияти гармӣ ва ноқилияти барқӣ барои маводҳои n- ва p-навъ бо полиномҳои дараҷаи сеюми ҳарорат ифода шудаанд. Модел фосилаи ҳарорат байни нӯги гарм ва сардро ба қисмҳо тақсим карда, хусусиятҳоро дар ҳар нуқтаи ҳарорат ҳисоб мекунад ва арзишҳои миёнаро ҳосил мекунад.

Масалан, коэффисиенти самараноки Seebeck-и ҷуфт чунин ҳисоб карда мешавад:

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

Ба ҳамин монанд, ноқилиятҳои миёнаи барқӣ ва гармии пояҳои n- ва p-навъ дар тамоми доираи ҳарорат алоҳида ҳисоб карда мешаванд. Ин равиш аз ифода кардани хусусиятҳои тамоми поя бо як арзиш танҳо дар ҳарорати миёна муфассалтар аст.

Бо вуҷуди ин, дар Ҷадвали 2 нуқтаҳои ҳарорат ҳамчун \(i=0,\ldots,n\) муайян шуда, тақсим кардани фосила ба \(n-1\) аз ҷиҳати намоиш мувофиқ нест. Дар амал интизор меравад, ки пайдарпаии \(n\)-нуқтаӣ, ки аз нуқтаҳои охир берун намебарояд, ҳамчун \(i=0,\ldots,n-1\) сохта шавад. Азбаски коди кушодаи таҳқиқот дода нашудааст, индексгузории воқеии татбиқ тасдиқ карда намешавад.

Коэффисиенти пуршавӣ чист?

Коэффисиенти пуршавӣ ё fill factor нишон медиҳад, ки чӣ қадар қисми сатҳи модул бо пояҳои фаъоли термоэлектрикӣ пӯшида шудааст:

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

• \(A_{\mathrm{TE}}\) масоҳати умумии буриши ҳамаи пояҳои n- ва p-навъ аст.
• \(A_{\mathrm{TEM}}\) масоҳати сатҳи берунии модул аст.

Бо зиёд шудани коэффисиенти пуршавӣ буриши васеътар барои гузариши гармӣ ва муқовимати пасттари пояҳо барои барқ ба вуҷуд меояд. Дар иваз шумораи ҷуфтҳое, ки дар ҳамон сатҳ ҷой дода мешаванд, метавонад кам шавад. Бо паст шудани коэффисиенти пуршавӣ пояҳои бештар ва хурдтар ҷойгир карда мешаванд; аммо муқовимати умумии барқии пояҳо ва талаботи дақиқии истеҳсол зиёд мешаванд.

Шумора ва ҷойгиршавии пояҳо чӣ гуна ҳисоб шудааст?

Таҳқиқот масоҳати истифодашавандаро пас аз баровардани фосилаҳои канорӣ барои истеҳсол ва пайваст ҳисоб мекунад:

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

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

Вақте дарозии канори пояи буриши квадратӣ \(w_{\mathrm{TE}}\) ва фосилаҳои уфуқӣ ва амудӣ \(s_x\) ва \(s_y\) мебошанд, шумораи ҳадди аксари пояҳо дар ҳар самт бо поён гирдкунӣ муайян мешавад:

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

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

Барои он ки пайвасти пайдарпайи S-шакл дар ду кунҷи муқобил вуруд ва баромад созад, шумора дар самти x тоқ ва дар самти y ҷуфт танзим мешавад. Шумораи умумии пояҳо:

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

ва шумораи ҷуфтҳои n-p:

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

ба даст оварда мешавад.

Чаро пайвасти пайдарпайи S-шакл истифода шудааст?

Расми 2 дар саҳифаи 6 нишон медиҳад, ки шумораи зиёди пояҳои n- ва p-навъ тавассути масири мисии S-шакл, ки дар сатҳҳо ба пешу қафо меравад, пайдарпай пайваст шудаанд. Ин тарҳ ду ҳадаф дорад:

• Ҷамъ кардани шиддати ҳамаи ҷуфтҳо дар як масири пайдарпай
• Гузаронидани нӯгҳои вуруд ва баромад ба кунҷҳои муқобили модул барои осон кардани ҳамгироии панели бесим ва платаи чопӣ

Бо дароз шудани масири пайдарпай муқовимати барқии роҳҳои мисӣ низ зиёд мешавад. TEMsim ин муқовимати паразитиро тавассути дарозии умумӣ, паҳнӣ, ғафсӣ ва ноқилияти роҳҳои мисӣ ба модел дохил мекунад.

Се тарҳи модул чӣ гуна муқоиса шудаанд?

TEM-342 калонтарин пояҳо ва баландтарин коэффисиенти пуршавиро дорад. Ҷараёни барқӣ нисбатан баланд ва шиддаташ паст аст. TEM-1029 бошад, бо вуҷуди доштани хурдтарин пояҳо ва коэффисиенти пуршавии пасттар, аз сабаби доштани шумораи бештари ҷуфтҳои пайдарпай баландтарин шиддатро истеҳсол кардааст.

Барои TEM-1029 дар ҳамин нуқтаи ҳисоб:

• Шиддати нуқтаи қувваи ҳадди аксар тақрибан 31,53 V аст.
• Ҷараёни нуқтаи қувваи ҳадди аксар тақрибан 0,77 A аст.
• Қувваи ҳадди аксар тақрибан 24,18 W аст.

Ин арзишҳо натиҷаҳои модел барои фарқи ҳарорати берунии 180 °C мебошанд, ки аз фарқи ҳарорати дар таҷриба ба дастомада хеле баландтар аст. Муқоисаи таҷрибавии чор модул дар фарқи ҳарорати тақрибан 15–45 °C гузаронида шудааст.

Чаро коэффисиенти пуршавии баландтарин қувваи баландтаринро надод?

Қувваи модул танҳо ба масоҳати умумии ишғолкардаи пояҳо вобаста нест. Дар занҷири пайдарпай шиддат бо шумораи ҷуфтҳо тағйир меёбад, дар ҳоле ки муқовимати дохилӣ ҳамзамон бо дарозӣ, буриш ва шумораи пояҳо тағйир меёбад.

Дар TEM-1029 бо пояҳои хурд:

• Шиддати шумораи бештари ҷуфтҳои пайдарпайи n-p ҷамъ шудааст.
• Аз сабаби хурд шудани буриши ҳар поя муқовимати барқӣ зиёд шудааст.
• Бо кам шудани масоҳати умумии пояҳо муқовимати гармӣ тағйир ёфтааст.
• Хусусияти шиддати баланд ва ҷараёни паст ба вуҷуд омадааст.

Дар TEM-342 бо пояҳои калон бошад ҷуфтҳои пайдарпай камтар, шиддати пасттар ва ҷараёни баландтар мавҷуд аст. Дар шароити бор ва ҳарорати таҳқиқшуда, афзоиши шиддат дар TEM-1029 нисбат ба афзоиши муқовимат таъсири бештар доштааст.

Чаро пояҳои аз ҳад хурд интихоб нашуданд?

Модел андозаҳои пояро дар доираи 0,1–2,0 mm скан кардааст. Вақте паҳнои поя аз тақрибан 0,2 mm кам мешавад, таносуби периметр ба масоҳати буриш зиёд шуда, тамоси барқӣ ва муқовимати поя баромади қувваро маҳдуд мекунанд.

Аз ҷиҳати истеҳсоли физикӣ ҳам буридан, металлизатсия кардан, ҳамоҳанг сохтан ва кафшер кардани пояҳои хурдтар аз 0,5 mm дар ҳазорҳо мавқеъ хавфи самаранокии пасттари истеҳсол ва хароҷоти баландтар дорад. Андозаи 0,5 mm-и TEM-1029 дар таҳқиқот ҳамчун ҳадди баландтарини зичии аз ҷиҳати иқтисодӣ амалишаванда интихоб шудааст.

Тавозуни гармии модули идеалии термоэлектрикӣ чӣ гуна модел шудааст?

Гармии аз нӯги гарм гирифташуда аз чор ҷузъи асосӣ иборат аст:

• Ҳади табдили Seebeck/Peltier
• Гармии Joule аз муқовимати дохилии барқӣ
• Эффекти Thomson, ки аз коэффисиенти Seebeck-и вобаста ба ҳарорат ба вуҷуд меояд
• Интиқоли ғайрифаъоли гармӣ дар тӯли пояҳо

Дар ҳолати идеалӣ қувваи софи барқӣ байни нӯги гарм ва сард дар шакли умумӣ чунин ифода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(I\) ҷараён, \(R_i\) муқовимати дохилии як ҷуфт, \(\bar{\alpha}\) коэффисиенти самараноки Seebeck ва \(\bar{\tau}\) ҳади Thomson мебошад.

Муқовимати умумии дохилии барқӣ аз ҷамъбасти пояҳои n-навъ, пояҳои p-навъ ва роҳҳои мисӣ иборат аст:

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

Муқовимати барқии пояҳо ба квадрати шумораи ҷуфтҳо, дарозии поя, масоҳати модул, коэффисиенти пуршавӣ ва ноқилияти маводҳо вобаста карда шудааст. Ҳангоми пайвасти пайдарпайи шумораи зиёди пояҳои хурд, ҳам шиддат ва ҳам муқовимати дохилӣ зиёд мешаванд.

Чаро муқовимати тамоси гармӣ муҳим аст?

Дар модули воқеӣ ҳарорати ченшуда дар блоки гарм бо ҳарорати нӯги гарми пояи термоэлектрикӣ яксон нест. Ба ҳамин монанд, байни нӯги сарди поя ва блоки хунуккунанда низ пастшавии ҳарорат ба вуҷуд меояд. Ин фарқиятҳо метавонанд аз қабатҳои зерин ба вуҷуд оянд:

• Маводи интерфейси гармӣ
• Зерқабати сафолии алюмина
• Роҳи мисӣ
• Қабати кафшер
• Металлизатсия ва монеаи диффузия
• Ноҳамвории сатҳ ва холигиҳо
• Фишори нокифоя ё номутавозини фишурдан

Расми 3 дар саҳифаи 9 панҷ ҷузъи асосии муқовиматро аз сатҳи гарм ба сатҳи сард нишон медиҳад: зерқабати болоӣ, тамоси болоӣ, пояҳои термоэлектрикӣ, тамоси поёнӣ ва зерқабати поёнӣ.

Дар таҳқиқот муқовимати қабати беруна чунин муайян шудааст:

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

ва муқовимати умумии модул:

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

муайян шудааст.

Омили тамоси гармӣ чӣ гуна муайян шудааст?

Тадқиқотчиён муқовимати тамосро на ҳамчун як арзиши собити K/W, балки бо TCF-и беандоза муайян кардаанд:

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

Ҳар қадар TCF хурд бошад, интерфейс беҳтар ҳисоб мешавад; ҳар қадар TCF калон бошад, талафоти тамос баландтар қабул карда мешавад. Дар таҳқиқот арзишҳои 0,05, 0,10 ва 0,15 арзёбӣ шудаанд.

TCF ҳамчун як параметри ягонае, ки барои ҳар прототип мустақилона чен шудааст, дода нашудааст. Ба ҷои ин, бандҳои фаъолият, ки бо се арзиши TCF ҳисоб шудаанд, бо нуқтаҳои таҷрибавӣ муқоиса шудаанд. Аз ин рӯ, ин мувофиқат пешгӯии кӯр бо як параметри ягонаи пешакӣ собитшуда нест, балки муқоисаи модел бо доираи эҳтимолии сифати тамос мебошад.

Муқовимати тамос фаъолияти барқиро чӣ гуна тағйир дод?

Бо зиёд шудани муқовимати тамос, қисми камтари фарқи ҳарорати байни сатҳҳои беруна ба пояҳои n- ва p-навъ мерасад. Дар натиҷа:

• Фарқи самараноки ҳарорати поя кам мешавад.
• Шиддати занҷири кушода паст мешавад.
• Ҷараёни зери бор кам мешавад.
• Қувваи ҳадди аксар паст мешавад.
• Самаранокии табдил кам мешавад.
• Вуруди гармии лозима барои ҳамон баромади барқӣ зиёд мешавад.
• Бори оптималии барқӣ ба муқовимати баландтар мегузарад.

Расми 8a дар саҳифаи 21 нишон медиҳад, ки вақте TCF сифр ҳисоб мешавад, модел болотар аз нуқтаҳои қувваи таҷрибавӣ мемонад. Дар Расми 8b, вақте доираи TCF 0,05–0,15 илова мешавад, нуқтаҳои таҷрибавӣ ба дохил ё наздики бандҳои модел меоянд.

Эквиваленти Thevenin бо кадом мақсад истифода шудааст?

Модул аз ҷиҳати барқӣ бо манбаи эквивалентии шиддат ва муқовимати пайдарпай ифода шудааст:

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

Ин ифода нишон медиҳад, ки танҳо як қисми фарқи ҳарорати беруна ба фарқи самараноки ҳарорати поя табдил меёбад.

Муқовимати эквивалентӣ ба ғайр аз муқовимати барқии пояҳо ва роҳҳо, ҳади иловагиро аз пайвастшавии электрогармӣ низ дар бар мегирад. Вақте муқовимати бор ба муқовимати дохилии эквивалентӣ наздик мешавад, қувваи барқӣ ба арзиши ҳадди аксар наздик мешавад. Бо тағйири TCF, шиддати манбаи эквивалентӣ ва бори оптималӣ низ тағйир меёбанд.

Самаранокии табдил чӣ гуна ҳисоб шудааст?

Самаранокии воқеии модул нисбат ба гармии аз тарафи гарм гирифташуда чунин ҳисоб шудааст:

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

Ба ҳамин шакл ҳисоб шудааст.

Таҳқиқот инчунин се ҳади назариявиро гузориш медиҳад:

• Самаранокии Carnot
• Самаранокии ҳадди аксари назариявии термоэлектрикӣ вобаста ба \(ZT\)-и мавод
• Самаранокии назариявӣ дар нуқтаи қувваи ҳадди аксар

Самаранокии Carnot:

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

ва самаранокии ҳадди аксари назариявии табдил бар асоси \(ZT\)-и миёна:

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

ҳисоб шудааст. Самаранокии воқеии модул аз сабаби талафоти тамос, зерқабат, роҳҳои мисӣ, кафшер ва мутобиқкунии бор аз ин ҳадҳои назариявӣ пасттар мемонад.

Ҷараёни ҳалли TEMsim чӣ гуна кор мекунад?

Расми 4 дар саҳифаи 14 ҷараёни ҳисобро дар ҳафт қисми асосӣ нишон медиҳад:

1. Андозаҳои модул, коэффисиенти пуршавии ҳадаф, фосилаҳои канорӣ ва андозаҳои поя муайян карда мешаванд.
2. Наздиктарин шабакаи истеҳсолшаванда ва шумораи пояҳои n-p интихоб мешаванд.
3. Шароити сарҳадии гармӣ, муқовимати бор ва омили тамос ворид карда мешаванд.
4. Коэффисиентҳои Seebeck, ноқилият ва Thomson аз рӯи ҳароратҳои маҳаллӣ ҳисоб мешаванд.
5. Шабакаи муқовимати гармӣ ва занҷири барқӣ якҷоя ҳал мешаванд.
6. Ҳарорати нӯгҳои поя бо омили сусткунӣ нав карда шуда, ҳамгароӣ санҷида мешавад.
7. Шиддат, ҷараён, қувва, вуруди гармӣ, самаранокӣ ва меъёрҳои \(ZT\) гузориш мешаванд.

Дар оғоз ҳарорати нӯгҳои поя ба ҳарорати сатҳҳои берунии гарм ва сард баробар қабул мешавад. Дар ҳар такрор талафоти тамос ва зерқабат ҳисоб шуда, ҳароратҳои воқеии поя аз нав муайян мешаванд.

Барои кам кардани ларзишҳои ғайрихаттӣ коэффисиенти сусткунии на камтар аз 0,3 истифода мешавад:

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

Барои шиддат ва ҳарорат ду меъёри ҷудогонаи ҳамгароӣ татбиқ шуда, таҳаммулпазирии нисбӣ \(10^{-3}\) муайян шудааст.

Майдони тарҳ вобаста ба коэффисиенти пуршавӣ чиро нишон дод?

Расми 6 дар саҳифаи 17 таъсири коэффисиенти пуршавиро ба меъёрҳои зерин ҳангоми ҳарорати гармкунак 50, 100, 150 ва 200 °C, сатҳи сард 20 °C ва баландии поя 0,46 mm нишон медиҳад:

• Шиддати нуқтаи қувваи ҳадди аксар
• Ҷараёни нуқтаи қувваи ҳадди аксар
• Муқовимати оптималии бор
• Қувваи барқӣ

Бо зиёд шудани коэффисиенти пуршавӣ, аз сабаби кам шудани шумораи ҷуфтҳо шиддат тамоюли пастшавӣ дорад. Бо калон шудани масоҳати умумии буриши пояҳо ҷараён зиёд ва муқовимати оптималии бор кам мешавад. Қувва бошад яксамта тағйир намеёбад; вобаста ба тавозуни шиддат ва ҷараён метавонад дар минтақаи миёнаи пуршавӣ ба қимати ҳадди аксар расад.

Вақте TCF аз 0,05 то 0,15 зиёд мешавад, каҷҳои қувва дар ҳамаи шароити ҳарорат ба поён мегузаранд. Ин нишон медиҳад, ки оптимизатсияи геометрияро аз муқовимати тамос мустақил анҷом додан мумкин нест.

TEM-1029 чӣ гуна ба таври физикӣ сохта шудааст?

Расми 7b дар саҳифаи 18 қабатҳои прототипро бо нақшаи буриш нишон медиҳад. Сохтор ҷузъҳои зеринро дар бар мегирад:

• Зерқабатҳои болоӣ ва поёнии сафолии Al₂O₃
• Электродҳои зинадоршудаи мисии рафъи тавсеа бо рӯйпӯши ENIG
• Қабатҳои болоии электроди мисӣ
• Қабатҳои поёнии мутобиқшавии мисӣ
• Пайвастҳои кафшери сахти ҳарорати баланд
• Пайвастҳои кафшери SAC305, яъне Sn96,5-Ag3,0-Cu0,5
• Металлизатсия ва монеаи диффузия бар асоси Ni-Ag-Au
• Пояҳои n- ва p-навъи Bi₂Te₃

Дар Расми 7d пеш аз илова шудани зерқабати сафолии болоӣ массиви микро-пояҳо бо ҷойгиршавии 49 × 42 дида мешавад. Таҳқиқот мегӯяд, ки барои якҷо кардани ҳазорҳо поя дар як модул ҷараёни истеҳсолӣ бо истеҳсоли мавод, буриши дақиқ, металлизатсия ва кафшеркунии марҳилавӣ истифода шудааст.

Қадамҳои муфассали истеҳсол ба Расмҳои S3–S8 равона шудаанд. Азбаски ин расмҳои иловагӣ дар версияи боршуда нестанд, самаранокии буриши поя, таҳаммулпазирии ҳамоҳангсозӣ, тақсимоти холигии кафшер ва ҳиссаи модулҳои нуқсондор арзёбӣ карда нашудаанд.

Дастгоҳи таҷрибавӣ чӣ гуна омода шудааст?

Дар Расми 7c-и саҳифаи 18 модул дар ҷараёни амудии гармӣ байни ду блок ҷойгир шудааст:

• Дар боло блоки гарм бо гармкунакҳои картриджӣ
• Дар поён блоки сард бо гардиши моеъ, ки ба хунуккунанда пайваст аст
• Термопараҳо дар сатҳҳои болоӣ ва поёнӣ
• Системаи ҷамъоварии маълумот
• Механизми фишурдани танзимшаванда
• Пружинаҳои фишурдан
• Сенсори ихтиёрии қувва
• Қисмҳои изолятсияи гармии сафолӣ ва кафкӣ
• Бори электронӣ

Дар ҳароратҳои баланд mica ё graphite, дар ҳароратҳои миёна ва паст grease ё pad-и гармӣ истифода шудаанд. Сатҳи гарм бо гармкунакҳои картриджӣ марҳила ба марҳила гарм шудааст; сатҳи сард тавассути хунуккунанда тақрибан дар доираи 20–50 °C нигоҳ дошта шудааст.

Дар ҳар нуқтаи ҳарорат тақрибан 5–10 дақиқа то ба ҳолати устувор расидани система интизор шудаанд. Ҳарорат аз якчанд мавқеъ сабт шудааст; ҷараёни гармӣ бо қонуни Fourier ва қувваи баромад дар борҳои барқии тағйирёбанда муайян шудааст.

Чаро қувваи фишурдан назорат шудааст?

Муқовимати тамос дар сатҳи модул ба ғафсии маводи интерфейс ва масоҳати воқеии тамос вобаста аст. Бо зиёд шудани фишурдан холигиҳо метавонанд кам ва муқовимати тамос паст шавад. Аммо қувваи аз ҳад зиёд метавонад ба пояҳои нозуки Bi₂Te₃ ё пайвастҳои кафшер зарар расонад.

Таҳқиқот махсусан барои маводи интерфейс, ба монанди лавҳаи графитӣ, ки фишори баланд талаб мекунад, метавонад фишорҳои зиёда аз 50 psi лозим шаванд, мегӯяд. Бо вуҷуди ин, дар матни асосӣ ҷадвали ҷудогонаи фаъолият ё қимати оптималии фишор барои қувваҳои гуногуни фишурдан оварда нашудааст.

Модел бо кадом маълумоти таҷрибавӣ муқоиса шудааст?

Чор модули TEM-1029, ки гуфта мешавад тасодуфӣ интихоб шудаанд, ҳангоми нигоҳ доштани тарафи сард тақрибан дар 50 °C дар фарқҳои гуногуни ҳарорат санҷида шудаанд. Дар саҳифаи 21 миқдорҳои таҷрибавии зерин нишон дода шудаанд:

• Қувваи барқӣ
• Вуруди гармии лозима

Барои шиддат, ҷараён, шиддати занҷири кушода ва самаранокӣ каҷҳои моделӣ нишон дода шудаанд, вале нуқтаҳои таҷрибавӣ барои ин чор тағйирёбанда дар расми асосӣ ҷой надоранд. Гарчанде шарҳи расм умуман мувофиқатро дар ҳамаи меъёрҳои фаъолият баён мекунад, миқдорҳои асосие, ки муқоисаи таҷрибавии мустақими визуалӣ доранд, қувва ва вуруди гармӣ мебошанд.

Дар фарқи ҳарорати тақрибан 15 °C қувваи таҷрибавӣ тақрибан 0,1 W ва дар доираи 40–45 °C тақрибан 1,0–1,4 W мебошад. Дар ҳамин доираи ҳарорат вуруди гармии лозима аз тақрибан 35 W то 90–100 W боло меравад. Инҳо арзишҳои тақрибан аз график хондашудаанд; таҳқиқот ҷадвали ҷудогонаи рақамӣ надодааст.

Чаро модел бидуни иловаи муқовимати тамоси гармӣ ноком шуд?

Вақте TCF сифр гирифта мешавад, фарз карда мешавад, ки тамоми фарқи ҳарорати беруна ба пояҳо мерасад. Ин фарзияи идеалӣ:

• шиддати Seebeck-ро аз ҳад зиёд ҳисоб кардааст,
• ҷараён ва қувваро аз ҳад зиёд ҳисоб кардааст,
• гармии лозимаро барои ҳамон фарқи ҳарорат кам ҳисоб кардааст.

Дар таҷриба бошад дар сафол, кафшер, мис ва интерфейсҳои беруна пастшавии иловагии ҳарорат вуҷуд дорад. Вақте TCF илова шуд, арзиши воқеии \(\Delta T\)-и пояҳо кам ва модел ба маълумоти таҷрибавӣ наздик гардид.

Мувофиқати модел-таҷриба то чӣ андоза қавӣ аст?

Аксари нуқтаҳои таҷрибавӣ дар дохил ё наздики банди модели TCF 0,05–0,15 ҷой доранд. Ин дастгирӣ мекунад, ки модел ҳангоми ба назар гирифтани талафоти тамос тамоюли умумиро гирифта метавонад.

Аммо қувваи рақамии мувофиқат маҳдуд гузориш шудааст:

• Танҳо чор намунаи модул истифода шудааст.
• Шумораи такрорҳои ҳар модул дар ҳар ҳарорат шарҳ дода нашудааст.
• Сутунҳои хато дода нашудаанд.
• TCF барои ҳар модул мустақилона чен нашудааст.
• RMSE, хатои миёнаи мутлақ ё хатои фоизӣ гузориш нашудааст.
• Барои рушди модел ва тасдиқ гурӯҳҳои ҷудогонаи модул муайян нашудаанд.

Аз ин рӯ, хулосаи “мувофиқати қавӣ” дар сатҳи визуалӣ ва тамоюлӣ аст; ҳади дақиқи хатои пешгӯӣ дода нашудааст.

Муқовимати бор ба фаъолият чӣ гуна таъсир кард?

Расми 9 дар саҳифаи 22 таъсири муқовимати бори барқиро ба қувва, шиддат ва ҷараён дар фарқҳои ҳарорати 50, 100, 150 ва 200 °C нишон медиҳад.

Вақте муқовимати бор ба сифр наздик аст, ҷараён баланд, вале шиддат дар бор паст аст, бинобар ин қувваи барқӣ кам аст. Вақте муқовимати бор хеле баланд аст, шиддат ба қимати занҷири кушода наздик мешавад, аммо ҷараён кам мешавад. Байни ин ду ҳад нуқтаи қувваи ҳадди аксар мавҷуд аст.

Бо зиёд шудани TCF:

• Қувваи қуллавӣ кам шудааст.
• Нуқтаи қувваи қуллавӣ ба муқовимати баландтари бор кӯчидааст.
• Дар тамоми доираи бор шиддат ва ҷараён паст шудаанд.

Арзишҳои ҷадвал тақрибан аз Расми 9 хонда шудаанд ва натиҷаҳои ченшудаи таҷрибавӣ нестанд.

Харитаҳои ҳарорат-фаъолият чӣ медиҳанд?

Расмҳои 10 ва 11 дар саҳифаҳои 23–24 натиҷаҳои зеринро барои бисёр комбинатсияҳои ҳарорати тарафи сард ва фарқи ҳарорати модул нишон медиҳанд:

• Вуруди гармии лозима
• Ноқилияти самараноки гармӣ
• Самаранокии табдили модул
• Қувваи барқӣ
• Шиддат
• Ҷараён

Харитаҳо барои TCF 0,05, 0,10 ва 0,15 алоҳида ҳисоб шудаанд. Ин сохтор на танҳо ҳисоб кардани баромад барои ҳароратҳои маълум, балки аз ҳарорати маълуми хунуккунанда ва ҷараёни гармӣ муайян кардани нуқтаи самараноки кори модул ва баромади барқиро ба таври баръакс имкон медиҳад.

Тадқиқотчиён пешниҳод мекунанд, ки ин баромадҳо ҳамчун вуруд ба моделҳои CFD-и мубодилагари гармӣ истифода шаванд. Аммо дар ин таҳқиқот мубодилагари воқеии ҳамгирошуда, чоҳи геотермалӣ ё системаи ихроҷи саноатӣ таҷрибавӣ сохта нашудааст.

Натиҷаи назорати сифати 50 модул чист?

Матни асосӣ мегӯяд, ки дар як партия аз 50 модул бо усули Harman арзишҳои \(ZT\)-и сатҳи модул тақрибан 0,75–0,83 ба даст омадаанд. Ин натиҷа метавонад барои муттасилии истеҳсоли силсилавӣ муҳим бошад.

Аммо ченкуниҳои муфассал, графикҳои тақсимот, калибровкаи дастгоҳ ва ислоҳҳо ба Расми S22 ва Ҷадвалҳои S5–S6 равона шудаанд. Азбаски маводи иловагӣ бор нашудааст:

• тақсимоти 50 ченкунӣ,
• миёна ва инҳирофи стандартӣ,
• арзишҳои берунӣ,
• номуайянии ченкунӣ,
• ислоҳҳои радиатсия ва талафоти гармии беруна

дар ин баррасӣ тасдиқ карда нашудаанд.

Чаро ҳалкунандаи муфассали пояи термоэлектрикӣ таҳия шудааст?

TEMsim дар сатҳи модул бо хусусиятҳои миёна ҳисобкунии тез анҷом медиҳад. Дар фарқҳои калони ҳарорат ё пояҳои дароз профили ҳарорат метавонад аз хаттӣ дур шавад. Гармшавии Joule, эффекти Thomson ва хусусиятҳои маводи вобаста ба ҳарорат метавонанд ҷараёни маҳаллии гармиро дар тӯли поя тағйир диҳанд.

Аз ин рӯ, тадқиқотчиён ҳалкунандаи якандозаи арзиши сарҳадиро таҳия кардаанд, ки ҳар пояро ба шумораи зиёди қисмҳои фазоӣ тақсим мекунад. Ҳалкунанда майдонҳои ҳарорат \(T(x)\) ва ҷараёни гармӣ \(q(x)\)-ро ҳамзамон пеш мебарад:

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

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

Дар ин ҷо \(J\) зичии ҷараён, \(\alpha(T)\) коэффисиенти Seebeck, \(\sigma(T)\) ноқилияти барқӣ ва \(k(T)\) ноқилияти гармӣ мебошад.

Алгоритми ҳалли қадамзан чӣ гуна кор мекунад?

Поя аз нӯги сард то нӯги гарм ба қисмҳои баробар тақсим мешавад. Ҳарорати нӯги сард маълум аст; аммо ҷараёни гармии нӯги сард дар оғоз номаълум аст. Алгоритм қадамҳои зеринро иҷро мекунад:

1. Барои ҷараёни гармии нӯги сард арзиши санҷишӣ интихоб мешавад.
2. Ҳарорат ва ҷараёни гармӣ аз нӯги сард то нӯги гарм қисм ба қисм ҳисоб мешаванд.
3. Дар ҳар қисм аввал пешгӯӣ ва баъд бо хусусиятҳои нуқтаи миёна ислоҳ анҷом дода мешавад.
4. Фарқи байни ҳарорати ҳисобшудаи нӯги гарм ва ҳарорати ҳадаф пайдо мешавад.
5. Ду ҳалли ҷараёни гармӣ бо аломатҳои гуногун пайдо шуда, фосилаи реша сохта мешавад.
6. Бо функсияи MATLAB fzero ҷараёни дурусти гармии нӯги сард муайян мешавад.
7. Профилҳои ниҳоии ҳарорат ва ҷараёни гармӣ аз нав ҳисоб мешаванд.

Ҷустуҷӯ аввал дар фосилаи танг атрофи нуқтаи кори қаблӣ анҷом мешавад; агар тағйири аломат пайдо нашавад, фосила марҳила ба марҳила ба ±3, ±8 ва ±80 миқёси гузариш васеъ мешавад. Агар ҳатто дар васеътарин фосила ҳалли физикӣ пайдо нашавад, қабул мешавад, ки зичии ҷараёни интихобшуда ҳалли устувор намедиҳад.

Натиҷаҳои самаранокии як поя чӣ гунаанд?

Расми 13 дар саҳифаи 28 каҷҳои самаранокӣ-зичии ҷараёнро барои пояҳои 0,5 × 0,5 × 0,46 mm ҳангоми тарафи сард 50 °C ва тарафи гарм 150 °C нишон медиҳад.

Фарқияти аломати зичии ҷараён аз қоидаи аломати самти ҷараён дар пояҳои n- ва p-навъ ба вуҷуд меояд. Азбаски ин пояҳо дар модули воқеӣ аз ҷиҳати барқӣ пайдарпай пайвастанд, ҷараёни физикии занҷир яксон аст; самтҳои маҳаллии зичии ҷараён вобаста ба таърифи буриш ва аломат гуногун нишон дода шудаанд.

Профилҳои ҳарорат ва ҷараёни гармӣ дар дохили поя чӣ гунаанд?

Дар Расми 14-и саҳифаи 29 ҳарорат дар тӯли баландии 0,46 mm-и поя аз тақрибан 323 K то 423 K яксамта зиёд мешавад. Профил пурра ростхатта нест.

Ҷараёни гармӣ низ дар тӯли поя собит намемонад. Дар мисоли p-навъ зичии ҷараёни истифодашуда тақрибан −262,24 A/cm² ва ҷараёни гармии нӯги сард тақрибан −7,107 × 10⁵ W/m² мебошад. Дар мисоли n-навъ зичии ҷараён тақрибан 216,73 A/cm² ва ҷараёни гармии нӯги сард тақрибан −5,846 × 10⁵ W/m² мебошад.

Тағйири фазоии ҷараёни гармӣ аз он ба вуҷуд меояд, ки гармшавии дохилии Joule ва интиқоли термоэлектрикии вобаста ба ҳарорат энергияро дар дохили поя тавлид ва бозтақсим мекунанд.

Нуқтаҳои қавии таҳқиқот кадоманд?

• Хусусиятҳои вобаста ба ҳарорати маводҳои n- ва p-навъ мустақиман ба модел дохил шудаанд.
• Геометрияи модул, коэффисиенти пуршавӣ, андозаи поя ва муқовимати пайваст дар як ҷараёни тарҳ таҳқиқ шудаанд.
• Муқовимати тамоси гармӣ бо TCF-и беандоза ошкоро модел шудааст.
• Эффектҳои Joule ва Thomson дар ҳалли нимтаҳлилӣ ба назар гирифта шудаанд.
• TEMsim барои скани босуръати тарҳ таҳия ва дар MATLAB татбиқ шудааст.
• Се тарҳи модул бо зичии гуногун ба таври рақамӣ муқоиса шудаанд.
• Прототипи физикӣ бо 1.029 ҷуфт ва 2.058 поя истеҳсол шудааст.
• Сохтори буришии модули воқеӣ ва массиви пояҳо пеш аз истеҳсол визуалӣ нишон дода шудаанд.
• Дастгоҳи таҷрибавӣ бо блокҳои гарм ва сарди назоратшаванда сохта шудааст.
• Натиҷаҳои модел бо ва бе муқовимати тамос мустақиман муқоиса шудаанд.
• Нуқтаҳои таҷрибавии қувва ва вуруди гармӣ аз чор модул дар муқобили модел нишон дода шудаанд.
• Харитаҳои васеи фаъолият барои муқовимати бор ва шароити сарҳадии ҳарорат таҳия шудаанд.
• Ҳалкунандаи ғайрихаттии ҳарорат ва ҷараёни гармии як поя таҳия шудааст.
• Усул имкон медиҳад модулҳои баландшиддат бо мубодилагари гармӣ ва тарҳи система пайваст карда шаванд.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот кадоманд?

• Таҳқиқот аз баррасии ҳамсолон нагузаштааст.
• Файлҳои маълумоти иловагӣ дар версияи боршуда мавҷуд нестанд.
• Усулҳои синтези мавод ва ченкунии хусусиятҳои интиқол дар матни асосӣ бо ҷузъиёти кофӣ дода нашудаанд.
• Ҷузъиёти муқоисаи ANSYS танҳо ба маводи иловагӣ равона шудааст.
• Муқоисаи таҷрибавии модел танҳо ба чор модул асос ёфтааст.
• Дар таҷрибаҳо сутунҳои хато, инҳирофи стандартӣ ё фосилаи эътимод дода нашудаанд.
• Барои фарқи модел-таҷриба RMSE, MAE ё хатои фоизӣ гузориш нашудааст.
• TCF барои ҳар модул мустақилона чен нашуда, бо бандҳои 0,05–0,15 арзёбӣ шудааст.
• Барои таъсири қувваи фишурдан ба фаъолият натиҷаи асосии рақамӣ дода нашудааст.
• Ҷузъиёти ченкуниҳои Harman барои 50 модул танҳо дар маводи иловагӣ мебошанд.
• Озмоишҳои дарозмуддати даврзании гармӣ ва хастагии механикӣ гузориш нашудаанд.
• Тақсимоти нуқсонҳои кафшер, металлизатсия ё пояҳо дода нашудааст.
• Самаранокии истеҳсол ва ҳиссаи модулҳои нуқсондор шарҳ дода нашудаанд.
• Номгузории модул бо шабака/поя/шумораи ҷуфтҳо дар баъзе тарҳҳо мувофиқ нест.
• Дар меҳварҳои геометрия ва баъзе номҳои тағйирёбандаҳо номуайянии навишт ё намоиш мавҷуд аст.
• Ҳудудҳои индекс дар пайдарпаии ҳарорат ва муодилаҳои коэффисиенти Thomson равшан нестанд.
• Чӣ гуна миёнаи Seebeck ва ислоҳи ҷудогонаи Thomson дар шиддати занҷири кушода ҷудо шудаанд, мустақилона тасдиқ нашудааст.
• Коди TEMsim дар репозитории кушода мубодила нашудааст.
• Барои маълумоти хоми таҷрибавӣ пайванди кушодаи додаҳо дода нашудааст.
• Дар манбаи воқеии геотермалӣ ё гармии партови саноатӣ таҷрибаи саҳроӣ анҷом дода нашудааст.
• Самаранокии система бо дарназардошти мубодилагари гармӣ, насос, хунуккунанда ва электроникаи қувва ҳисоб нашудааст.
• Хароҷоти иқтисодӣ, вақти бозгашт ва арзиши истеҳсол барои ҳар watt пешниҳод нашудааст.

Таҳқиқот чиро дастгирӣ мекунад?

• Дастгирӣ мекунад, ки модели нимтаҳлилӣ бо хусусиятҳои вобаста ба ҳарорат ва муқовимати тамос метавонад дар тарҳи модул истифода шавад.
• Нишон медиҳад, ки нодида гирифтани муқовимати тамоси гармӣ боиси аз ҳад зиёд ҳисоб шудани қувва ва самаранокӣ мешавад.
• Нишон медиҳад, ки шумораи зиёди ҷуфтҳо ҳатто бо коэффисиенти пуршавии паст метавонанд афзалияти шиддат ва қувва диҳанд.
• Нишон медиҳад, ки 1.029 ҷуфт бо пояҳои 0,5 mm метавонанд дар як модул физикӣ муттаҳид карда шаванд.
• Нишон медиҳад, ки TEM-1029 дар шароити рақамии таҳқиқшуда нисбат ба TEM-342 ва TEM-696 қувваи қуллавии баландтар истеҳсол кардааст.
• Мувофиқати умумии ченкуниҳои қувва ва вуруди гармии чор прототипро бо банди модели TCF 0,05–0,15 нишон медиҳад.
• Нишон медиҳад, ки сифати тамос метавонад муқовимати оптималии борро тағйир диҳад.
• Нишон медиҳад, ки профилҳои ҳарорат ва ҷараёни гармии як поя метавонанд ба таври ғайрихаттӣ ҳисоб шаванд.
• Дастгирӣ мекунад, ки усул барои муқоисаи босуръати геометрияҳои гуногуни модул истифода шавад.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

• Исбот намекунад, ки TEM-1029 дар ҳамаи шароити ҳарорат ва тамос беҳтарин тарҳи термоэлектрикӣ аст.
• Нишон намедиҳад, ки пояҳои 0,5 mm барои ҳамаи истеҳсолкунандагон иқтисодӣ ё самараноканд.
• Исбот намекунад, ки натиҷаҳои моделии 24,18 W ё тақрибан 40 W дар саҳро пайваста ба даст меоянд.
• Нишон намедиҳад, ки мувофиқати чор прототипро ба тамоми истеҳсоли силсилавӣ умумӣ кардан мумкин аст.
• Нишон намедиҳад, ки арзишҳои TCF дар тамоми умри модул собит мемонанд.
• Эътимоднокии дарозмуддати партия аз 50 модулро исбот намекунад.
• Нишон намедиҳад, ки модул дар шароити даврзании гармӣ, ларзиш, намӣ ё оксидшавӣ устувор аст.
• Самаранокии умумии табдили системаи геотермалӣ ё гармии партови саноатиро чен намекунад.
• Энергияи ёрирасонеро, ки барои мубодилагари гармӣ ва хунуккунӣ лозим аст, ба ҳисоб намегирад.
• Эътимоднокии пайвасти пайдарпай-параллел дар сатҳи панели баландшиддатро таҷрибавӣ нишон намедиҳад.
• Нишон намедиҳад, ки самаранокиҳои фоиз 5,40 ва фоиз 4,99-и ҳисобшуда барои як поя самаранокии тамоми модул мебошанд.
• Маълумот дар бораи бозгашти иқтисодӣ, коҳиши карбон ё имконпазирии сармоягузорӣ пешниҳод намекунад.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Хулосаи техникии тарҳи таҳқиқот

Хусусиятҳои прототипи TEM-1029

Муқоисаи се тарҳ дар нуқтаи ҳарорати баланд

Муқоиса ба шароити модели \(T_c=20\ ^\circ\mathrm{C}\), \(T_h=200\ ^\circ\mathrm{C}\) ва TCF = 0,10 тааллуқ дорад. Азбаски рақамҳои номҳои TEM-342 ва TEM-696 ба ҳуҷайраҳои шабака ва рақами номи TEM-1029 ба шумораи ҷуфтҳои n-p марбут аст, дар манбаъ номувофиқии номгузорӣ вуҷуд дорад.

Таъсири омили тамос

Доираи тасдиқи таҷрибавӣ

Натиҷаҳои ҳалкунандаи як поя

Паёмҳои асосии расмҳои асосӣ

• Расми 1: Коэффисиенти Seebeck, ноқилияти барқӣ, ноқилияти гармӣ, омили қувва, \(ZT\) ва фарқи умумии Seebeck-и маводҳои n- ва p-навъи Bi₂Te₃ дар доираи 300–500 K-ро нишон медиҳад.
• Расми 2: Пайвасти пайдарпайи S-шакли зичии баланд, ҳадафҳои гуногуни пуршавӣ ва шабакаҳои истеҳсолшавандаро вобаста ба андозаи поя нишон медиҳад.
• Расми 3: Сохтори қабатӣ аз зерқабати сафолӣ, роҳҳои мисӣ ва пояҳои термоэлектрикӣ ва шабакаи муқовимати гармии панҷҷузъиро нишон медиҳад.
• Расми 4: Ҷараёни TEMsim аз тарҳи геометрӣ то ҳисобкунии маводи вобаста ба ҳарорат, ҳалли шабакаи гармӣ-барқӣ ва санҷиши ҳамгароиро нишон медиҳад.
• Расми 5: Андозаи поя, коэффисиенти пуршавӣ, баландии поя ва муносибатҳои V-I ва P-I-ро дар тарҳҳои TEM-342, TEM-696 ва TEM-1029 муқоиса мекунад.
• Расми 6: Тағйири шиддат, ҷараён, муқовимати бор ва қувваро вобаста ба пуршавӣ барои TCF 0,05, 0,10 ва 0,15 нишон медиҳад.
• Расми 7: Буриши бисёрқабатаи прототип, массиви 49 × 42 поя ва дастгоҳи таҷрибавии блокҳои гарм-сарди назоратшавандаро нишон медиҳад.
• Расми 8: Нишон медиҳад, ки модел бе муқовимати тамос қувваи таҷрибавиро зиёд ҳисоб мекунад ва бо иловаи TCF ба маълумоти таҷрибавӣ наздик мешавад.
• Расми 9: Каҷҳои қувва, шиддат ва ҷараёнро вобаста ба муқовимати бор дар фарқҳои гуногуни ҳарорат ва TCF нишон медиҳад.
• Расми 10: Харитаҳои вуруди гармии лозима, ноқилияти самараноки гармӣ ва самаранокии табдилро дар шароити сарҳадии гарм ва сард нишон медиҳад.
• Расми 11: Дар ҳамон майдони ҳарорат харитаҳои қувва, шиддат ва ҷараёни барқиро нишон медиҳад.
• Расми 12: Алгоритми пешгӯӣ-ислоҳро нишон медиҳад, ки ҳарорат ва ҷараёни гармиро дар як поя қисм ба қисм ҳал мекунад.
• Расми 13: Каҷҳои самаранокӣ-зичии ҷараёни пояҳои n- ва p-навъ ва ҳамгароии боқимондаи решаёбиро нишон медиҳад.
• Расми 14: Профилҳои ҳарорат ва ҷараёни гармиро дар тӯли баландии 0,46 mm-и поя нишон медиҳад.

Ҳолати бозёфтҳо аз рӯи сатҳи далел

Ёддошти манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: Predictive Design of Scalable High Voltage and High Density Thermoelectric Modules for Energy Harvesting and Heat Recovery

Муаллифон: Ziming Jing, Kirk Nuzum ва Mukul Sharma.

Тартиби муаллифон: Ziming Jing муаллифи аввал, Kirk Nuzum дуюм ва Mukul Sharma сеюм аст.

Маълумот дар бораи саҳми баробар: Дар версияи боршуда изҳороти муаллифони саҳми баробар мавҷуд нест.

Муаллифи масъул: Ziming Jing.

Почтаи электронии муаллифи масъул: ziming.jing@utexas.edu

Пайвастҳои муассисавӣ:

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

Мутобиқати муаллиф–муассиса:

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

DOI:10.2139/ssrn.7197181

Платформаи нашр: SSRN.

Пайванди расмии манбаъ:Сабти таҳқиқот дар SSRN

Соли нашр: 2026.

Шумораи саҳифаҳо: 32.

Навъи манбаъ: Preprint-и муҳандисии термоэлектрикӣ бо моделсозии нимтаҳлилӣ, тарҳи модул, истеҳсоли физикӣ ва тасдиқи назоратшавандаи таҷрибавӣ.

Ҳолати баррасии ҳамсолон: Таҳқиқот аз баррасии ҳамсолон нагузаштааст. Дар ҳамаи саҳифаҳо огоҳии “This preprint research paper has not been peer reviewed” мавҷуд аст.

Маҷалла: Номи маҷаллаи баррасишуда, қарори қабул, ҷилд, шумора ё рақами ниҳоии мақола мавҷуд нест.

Ношир: Барои нашри ниҳоии баррасишуда маълумоти ношир вуҷуд надорад. Версияи таҳқиқшуда preprint-и SSRN мебошад.

Маблағгузорӣ: Гуфта шудааст, ки кори анҷомшуда дар University of Texas at Austin қисман аз ҷониби Вазорати энергетикаи ИМА дастгирӣ шудааст. Рақами фонд ё грант дода нашудааст.

Дастгирии дигар: Муаллифон ба Geothermix, University of Texas at Austin PGE Machine Shop ва Daryl Nygaard, ки дар насб ва рушди система саҳм гузоштааст, ташаккур гуфтаанд.

Бархӯрди манфиатҳо: Дар версияи боршуда изҳороти ошкори бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад. Яке аз муаллифон, Kirk Nuzum, бо Geothermix LLC вобастагӣ дорад; муносибати ин бо тарҳи таҳқиқот ё маҳсулоти тиҷоратӣ алоҳида шарҳ дода нашудааст.

Саҳми муаллифон: Дар версияи боршуда изҳороти CRediT ё саҳми муфассали ҳар муаллиф вуҷуд надорад.

Дастрасии маълумот: Барои маълумоти хоми таҷрибавӣ репозитории кушода ё пайванди боргирӣ дода нашудааст.

Дастрасии код: Гуфта шудааст, ки TEMsim дар MATLAB таҳия шудааст, вале репозитории кушода ё коди иҷрошаванда мубодила нашудааст.

Ҳолати маводи иловагӣ: Таҳқиқот ба Расмҳои S1–S24, Ҷадвалҳои S1–S6 ва ёддоштҳои гуногуни иловагӣ истинод мекунад. Ин файлҳои иттилооти дастгирӣ дар версияи боршуда нестанд. Аз ин рӯ, ҷараёни истеҳсол, муқоисаи ANSYS ва назорати сифати Harman барои 50 модул пурра таҳлил карда нашудаанд.

Кумитаи ахлоқ: Таҳқиқот кори муҳандисии мавод ва энергия бе иштирокчиёни инсон ё ҳайвон аст. Маълумоти кумитаи ахлоқ дода нашудааст.

Ин шарҳи тоҷикӣ танҳо бар асоси матни асосии таҳқиқоти боршуда, муодилаҳо, ду ҷадвали асосӣ, тавзеҳоти таҷрибавӣ ва натиҷаҳои нишон додашуда дар Расмҳои 1–14 омода шудааст. Ягон таҷрибаи саҳроӣ, натиҷаи эътимоднокии дарозмуддат, хароҷоти истеҳсол, бозгашти иқтисодӣ ё самаранокии энергия дар сатҳи система, ки дар таҳқиқот вуҷуд надорад, илова нашудааст. Манбаъҳои беруна танҳо барои тасдиқи библиографии номи таҳқиқот, муаллифон, DOI, муаллифи масъул, сабти SSRN ва ҳолати нашр истифода шудаанд.

Қавитарин далели таҳқиқот истеҳсоли физикии прототипи TEM-1029 бо 1.029 ҷуфт ва он аст, ки модели дорои муқовимати тамос тамоюли умумии ченкуниҳои қувва ва вуруди гармӣ аз чор модулро гирифтааст. Муҳимтарин камбудии гузориш ин аст, ки номуайяниҳои таҷрибавӣ ва хатои модел рақамӣ дода нашудаанд, тасдиқ танҳо бо чор намуна маҳдуд шудааст ва натиҷаҳои муфассали дастгирӣ ба маводи иловагии борнашуда гузошта шудаанд.

Натиҷаи 24,18 W барои TEM-1029 ба шароити рақамии сатҳи сарди 20 °C, сатҳи гарми 200 °C ва TCF 0,10 тааллуқ дорад. Натиҷаи тақрибан 40 W бошад аз каҷи модели фарқи ҳарорати 200 °C ва TCF 0,05 хонда мешавад. Инҳо қувваҳои ченшудаи таҷрибаҳои фарқи ҳарорати паст бо чор модул нестанд.

Арзишҳои фоиз 5,40 ва фоиз 4,99, ки дар ҳалкунандаи як поя гузориш шудаанд, самаранокиҳои оптималии табдили ҳисобшуда барои пояҳои ҷудогонаи p- ва n-навъ дар ҳароратҳои сарҳадии 50–150 °C мебошанд. Онҳоро ҳамчун самаранокии таҷрибавии сатҳи модул бо ҳамаи қабатҳо ва талафоти тамоси TEM-1029 тафсир кардан набояд.

Барои истифодаи модел дар тарҳи муҳандисии воқеӣ мубодилаи коди кушода, такрор дар лабораторияи мустақили таҷрибавӣ, ченкунии мустақими муқовимати тамос барои ҳар модул, таҳлили номуайянӣ, даврзании дарозмуддати гармӣ, таҳлили эҳтимолии таҳаммулпазирии истеҳсол ва тасдиқи саҳроӣ бо системаи пурраи мубодилагари гармӣ–электроникаи қувва лозим аст.