热源与热电发电机相对位置对相变材料-热电系统性能影响的机理研究

针对热电发电机(TEG)因热源波动导致的输出不稳定问题，研究人员通过建立三维相变材料(PCM)-TEG耦合模型，系统探究了热源与TEG相对位置对PCM固液相变及系统性能的影响。研究发现平行布局可提升PCM熔解速率但降低发电效率，安装位置差异导致非加热阶段发电量差异达18%，为构建高效PCM-TEG系统提供了关键设计依据。

　　

随着化石燃料大规模使用引发的环境问题日益严峻，提高能源利用效率成为全球关注的焦点。热电发电机(Thermoelectric Generator, TEG)基于塞贝克效应(Seebeck effect)能够直接将热能转化为电能，因其无运动部件、结构紧凑等优势，在汽车废热回收等领域展现出巨大潜力。然而内燃机排气参数动态变化导致传统TEG输出功率剧烈波动，严重影响系统稳定性。相变材料(Phase Change Material, PCM)凭借高潜热和恒温特性，为解决这一问题提供了新思路——通过构建PCM-TEG混合系统，既可缓冲热源波动又能延长运行时间。但现有研究多局限于简单的平行结构布局，忽视了重力作用下热源与TEG相对位置对PCM传热过程的关键影响，这一科学空白亟待填补。

国家多栖车辆驱动系统重点实验室的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表重要成果，通过建立三维动态模型，首次系统研究了八种不同装配构型下PCM-TEG系统的性能差异。研究采用计算流体力学(CFD)模拟结合热电耦合分析方法，重点考察了加热/非加热阶段PCM熔解行为与TEG输出特性的动态关联。实验设计包含热流密度加载方案优化、最小工作电压阈值设定等关键技术，通过对比传统TEG(CTEG)与PCM-TEG的能量输出、效率等参数，揭示了相对位置对系统性能的影响机制。

物理模型
研究构建的PCM-TEG系统包含排气换热器、PCM层和TEG模块三层结构。创新性地设计了八种空间构型，分别考察热源位于TEG上方/下方/侧向等不同工况，其中Case 1-4对应加热面平行于重力方向，Case 5-8则为垂直布局。模型精确考虑了PCM固液相变过程中的自然对流效应，采用焓-孔隙度法处理相变界面移动问题。

PCM对TEG性能的影响
对比CTEG与PCM-TEG(Case 1)发现：虽然PCM使总输出功率降低23.4%至1493.1 J，效率下降23.2%至1.29%，但显著延长了系统运行时间。特别值得注意的是，当最小工作电压设定为峰值电压80%时，PCM-TEG的有效工作时间反而低于传统系统，这一反直觉现象揭示了能量存储与转换效率之间的权衡关系。

相对位置的影响机制
平行布局(Case 1)在加热阶段表现出最快的PCM熔解速率，但发电量较垂直布局低7.2%；而在非加热阶段，其能量释放特性使发电量反超18%。重力导致的自然对流强化是产生这种差异的核心因素——当热源位于TEG下方时，熔融PCM的热对流显著增强热传递效率。

结论与展望
该研究首次量化了热源-TEG相对位置对PCM-TEG系统性能的影响：1)平行布局适合需要快速储能的场景，而垂直布局更利于持续发电；2)系统设计需权衡有效工作时间与能量转换效率；3)重力引起的自然对流可提升18%的非加热阶段发电量。这些发现为车载废热回收系统的优化设计提供了理论依据，特别是对排气管道空间受限的车辆布局具有重要指导价值。未来研究可进一步探索金属泡沫等强化传热材料与空间构型的协同优化，推动PCM-TEG系统在实际工程中的应用。