热电发电系统中基于能量的热疲劳评估

《Current Applied Physics》：Energy-based assessment of thermal fatigue in thermoelectric power generation systems

　　

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  评估了热电发电系统的疲劳寿命。
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  通过热疲劳试验和有限元分析建立了基于能量的疲劳模型。
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  热电现象在试验和分析中均有体现。
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  热电发电系统的载荷历史通过车载测量获得。
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  预测寿命为所测载荷历史块的93次循环。

引言

随着全球对提高能源效率和减少碳排放的关注持续增加，对热电发电系统的需求迅速增长[1]、[2]。根据最近的报告，未来几年全球热电发电机市场预计将显著增长，到2030年将达到16亿美元以上，年复合增长率超过10%[3]。这一市场增长凸显了热电发电作为一种环保技术在利用多种热源方面的工业潜力，例如工业废热、汽车废气和太空探索环境[1]、[2]。然而，只有在确保热电发电系统可靠性的前提下，这一工业潜力才能得以实现。在大多数实际应用中，热电发电系统需要连续运行且无需维护[4]，这使得系统可靠性成为商业化的关键要求。尽管如此，大多数现有热电发电研究集中于材料性能或单个器件性能[5]，而系统可靠性则相对受到较少关注。系统可靠性评估面临若干挑战。在实验室环境中重现全尺寸系统的实际运行条件受到物理限制，而跨越数万运行小时的可靠性测试往往不切实际。因此，许多可靠性评估采用最薄弱环节理论，即系统寿命由给定运行条件下最脆弱部件的寿命决定[6]、[7]。在此背景下，NASA报告称放射性同位素热电发电机（RTG）的功率输出每年下降约3.8%，其中约2.5%每年归因于与热电器件相关的退化，占总功率下降的最大份额[8]。与此观察一致，系统级热循环测试已确认热电器件是退化集中发生的部件。Harish等人测试了安装在汽车排气热电发电机中的碲化铋热电器件，报告称经过300次热循环后，某些器件的最大输出功率因冷端腿-电极接头处接触电阻增加导致内部电阻上升而下降约33%[9]。Schwab等人进行了包括热电器件、热交换器和压缩结构的系统级热循环测试，报告称系统输出功率的下降与热电器件内部电阻增加相关，而在结构部件中未观察到明显退化[10]。这一观察表明，热电器件的性能退化或失效可直接导致系统输出降低，提示热电发电系统的寿命可能由其最脆弱部件——热电器件的寿命所主导。此前的研究已探讨了热电器件的失效行为。Choi等人报告称，温度梯度引起的弯曲应力会在热电腿与电极之间的界面产生剪切应力，导致接头失效[11]。Erturun等人确定由不同组分材料热膨胀系数不匹配引起的应力积聚是主要失效机制[12]。Barako等人观察到热循环条件下焊点处的裂纹萌生与扩展，伴随热电性能的显著退化，包括ZT值降至初始值的3.16%、导热率增加20%、电导率降低约30倍，而Seebeck系数基本保持不变[13]。这些此前研究证明，热电器件的失效主要由热循环引起的热疲劳所致。基于这些观察，已提出热电器件的寿命预测模型。Wang等人推导了热循环下界面损伤增长的闭合形式解，并在此基础上提出了解析寿命预测模型[14]。Zhang等人使用Anand模型描述焊层的黏塑性行为，并将Darveaux模型与累积黏塑性耗散能相结合，以预测模组电阻开始上升的循环次数[15]。Yan等人提出了基于黏塑性和裂纹扩展模型推导的性能退化与寿命预测模型，并考察了结构与运行参数对寿命的影响[16]。然而，这些研究针对器件层面，且假定载荷条件为恒幅热循环。此外，模型系数要么在狭窄的温度差范围内确定[15]，要么从文献中报告的单组实验数据中获得，然后应用于20°C至140°C范围内的温度波动幅值[16]，因此所报告的关系在很大程度上是通过外推应用的。而且，这些发现尚未被充分应用于评估或预测实际运行载荷历史下疲劳寿命的系统可靠性评估中。除NASA放射性同位素热电发电机长期运行数据[8]外，热电发电系统在实际上承受的工况下尚未进行定量疲劳寿命评估，即使在该情况下，评估也是基于观察到的功率退化趋势而非损伤参数。因此，为克服这些局限性，本研究通过基于能量的疲劳分析对热电发电系统进行基于能量的可靠性评估。此类疲劳分析既需要脆弱部件的疲劳模型，也需要系统载荷历史。在本研究中，将热电器件定义为热电发电系统的脆弱部件。为构建疲劳模型，对热电器件进行了热疲劳试验和基于能量的有限元分析。通过试验和有限元分析，推导出热电器件的弹塑性应变能-寿命关系作为疲劳模型。在热疲劳试验和有限元分析中，均考虑了器件内部发生的热电现象，从而使疲劳模型所使用的弹塑性应变能密度在器件实际运行的相同热电条件下获得。与此前器件层面研究中假定的恒幅热循环不同，本研究的载荷历史基于从车载热电发电系统测得的车载测试数据定义，从而使疲劳寿命在系统实际承受的工况下进行评估。最后，将热电器件的疲劳模型和车载热电发电系统的载荷历史应用于基于能量的疲劳分析，以评估热电发电系统的疲劳寿命。通过这种方法，本研究为在实际运行载荷历史下评估热电发电系统的疲劳寿命和可靠性提供了一种实用的方法学。

章节摘要

可靠性系统的开发

为构建被确定为热电发电系统脆弱部件的热电器件的疲劳模型，首先对热电器件进行了热疲劳试验。这是因为已报道重复热循环引起的热疲劳是热电发电系统中热电器件的主要失效机制。热电器件的热疲劳试验使用……进行

温差-寿命曲线

进行了热疲劳试验以评估热电器件在五种不同温差条件下的疲劳寿命。试验期间测得的温度和施加电流随时间的变化总结在图5中。图5给出了ΔT = 170°C条件下的代表性结果，表明目标热疲劳载荷在器件上部被反复重现，同时下部温度保持稳定维持

结论

本研究使用基于能量的疲劳分析评估了热电发电系统的疲劳寿命。热电器件被确定为控制系统可靠性的最脆弱部件，并通过热疲劳试验和基于能量的有限元分析建立了基于弹塑性应变能-寿命关系的疲劳模型。此外，从车载测试中获得实际工况下的热载荷历史……

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了能效与资源核心技术项目由韩国能源技术评价与规划院（KETEP）提供的资金支持，该项目由大韩民国贸易、工业与能源部资助（编号：20212020800231），以及基础研究项目由韩国机械研究院资助（资助编号：NK254A）。

申承植|金大慧|全成宰|金仲律|韩承宇