综述：热电发电机系统级结构优化：传热增强、电热耦合与废热回收应用

《Sustainable Materials and Technologies》：System-level structural optimization of thermoelectric generators: heat transfer enhancement, electro-thermal coupling, and waste heat recovery applications

　　

## 摘要

热电发电机（TEG）可以回收空间分布且波动的废热，但由于热量必须经过由热侧换热器（HHX）、热电模块（TEM）和冷侧换热器（CHX）组成的耦合链条传递，其系统级性能往往远低于材料性能所暗示的能力。现有综述通常将上述部件或其应用分开讨论，导致决定净功率和耐久性的结构相互作用未能得到充分阐明。本综述通过围绕完整的"热捕获—热电转换—废热排放"路径组织近期研究进展，填补了这一空白。本文对比了主要的换热器和模块架构，重点阐述了接触与对流热阻、边界层发展、热扩散、电热匹配、温度均匀性及热机应力如何影响性能的机制。来自汽车排气、太阳能和工业废热系统的证据表明，单靠强化传热并不能作为可靠的设计准则：一种增加吸收热量的结构也可能增加压损、辅助功耗、冷侧温度或循环界面损伤。因此，本文使用系统级指标来检验所报告的性能提升，包括净功率、转换效率、压损、温度均匀性和运行稳定性。本综述确定了三个尚未解决的问题：在一致边界条件下的归一化比较、换热器与模块几何的耦合优化，以及在瞬态热源下的可靠性评估。这一基于机制的框架将部件设计与系统约束联系起来，为实用TEG系统的多目标优化提供了基础。

## 引言

在全球双碳目标和低碳能源体系转型的驱动下，回收低品位废热是降低一次能源消耗和抑制碳排放的有效途径 [1], [2]。数据显示，全球超过一半的一次能源以废热形式损失，其中近80%属于低于300°C的低品位热 [3]。此类热损失广泛存在于内燃机排气、工业锅炉烟气、石化管道和太阳能热系统中，具有巨大的实际工程应用潜力 [4], [5], [6]。为捕获这些能量，热电发电机（TEG）利用固态半导体通过塞贝克效应将热量直接转化为电能。与传统方法（如有机朗肯循环或废热锅炉 [7]）不同，TEG无运动部件、运行安静、使用寿命长、零污染物排放，且不受热源规模或波动的影响。这些特性使TEG非常适合在波动条件下进行去中心化、紧凑型安装，因此成为提高能源效率的核心关注点 [8], [9], [10], [11], [12]。

如图1所示，TEG系统由三个功能耦合的部件组成：热侧换热器（HHX）、热电模块（TEM）和冷侧换热器（CHX）。这些部件构成了完整的"热捕获—热电转换—废热排放"过程。HHX吸收热源热量，将其分配到TEM的热点侧并减少热损失。其结构布置主要影响热点侧温度和热流量 [13], [14], [15], [16], [17]。TEM作为转换部分，包含p型和n型热电腿、导电电极和绝缘基板。它利用塞贝克效应将两端温差转化为电能，内部结构影响转换效率、附加损失和工作可靠性 [18]。此外，CHX将冷侧多余热量排放到外部环境中以维持热梯度。冷却能力限制了冷侧最低温度，这是获得足够温差以实现持续转换的关键因素 [19], [20]。因此，TEG系统的总电输出、净系统效率和实际可行性取决于这三个部件如何协同设计与运行。

在过去几十年中，热电材料领域取得了系统性突破。从商用的Bi?Te?和PbTe基合金到新型材料如滑石矿、半赫斯勒化合物、高熵热电材料和离子热电系统，这些材料的本征优值因子（zT）有了显著提升，为提升TEG性能奠定了坚实的材料基础 [21], [22], [23], [24], [25]。然而，大量工程研究表明，在实验室材料层面观察到的性能提升很少在实际系统中得到完全实现。系统级问题——包括界面热阻、流场与温度分布不均匀、热应力集中以及不可逆电热耦合损失——制约了性能，导致TEG系统效率通常仅达到理想材料级效率的不到50% [26], [27]。同时，高性能热电材料普遍面临制造成本高、工程化加工困难、在宽温度范围内稳定性不足等问题，使得仅靠材料改性来提升系统级性能的边际效益持续下降。在此背景下，对三个核心部件——HHX、TEM和CHX——进行结构优化已成为克服TEG技术性能瓶颈并促进其实际工程应用的关键策略。

结构优化涵盖部件几何形状、系统配置、参数匹配以及相关物理场之间的相互作用。这些改变并不改变热电材料的本征特性，但可以降低总热阻、强化传热传质、平滑温度场、限制局部应力和不可逆电热损失。由此产生的性能提升体现在输出功率、净效率和运行稳定性方面 [28], [29], [30], [31]。近期的实例包括共形换热器、可变截面热电腿以及集成相变或柔性材料的热管理组件。这些设计既可以改善发电性能，也可以扩展TEG技术可部署的条件范围 [32], [33], [34]。

生物质废热为理解TEG设计的系统级本质提供了有益的范例。在废热被回收之前，原料必须首先转化为足够稳定的能源。使用干草、树叶和枯枝等实验表明，本地可利用的废生物质可以通过气化产生合成气用于发动机发电 [35]。从发动机排出的废气随后成为一种波动的二次热源，其可用性取决于热量到达热电模块的路径。在一个含有48个TEG的热虹吸辅助系统中，气化器当量比和热虹吸充液比均影响模块建立的温差及产生的电输出 [36]。随后设计的阵列配置结合盐梯度储热系统，消除了热虹吸路径中识别出的若干中间热阻 [37]。回收的热能不必仅限于发电。一种芯吸翅片蒸馏系统利用生物质发动机废热增强蒸发和冷凝 [38]，而较近期的混合系统则将可用废热在热电发电和生物质干燥之间分配，并通过响应面、能量、?、可扩展性和经济分析来评估该配置 [39]。从这一更广阔的视角来看，核心设计问题不仅仅是有多少废热可用，而是它被收集、缓冲、分配、转换并最终使用得有多有效。这一区别促使本综述采用对HHX、TEM和CHX的耦合处理方式。

现有综述从不同尺度讨论热电发电。宽泛的综合涵盖热电材料、器件原理、应用和建模方法 [40], [41]，而以几何为重点的综述集中于热电腿尺寸、形状和器件配置 [42]。汽车废热回收作为独立应用领域已有综述 [43]，而针对光伏—热电发电机配置的系统特定多目标优化也已有示范 [44]。这些研究提供了重要基础，但仅凭材料性能并不能决定组装后TEG系统的输出。热电腿两端实际建立的温差还受换热器热阻、热接触、流量分布和冷侧散热的影响，而压损和辅助功耗决定了传热增益在系统边界处是否仍然有利。因此，结构优化被选为主要关注点，因为它通过完整的HHX—TEM—CHX路径将材料与器件潜力连接到可用的系统输出。这一聚焦并不降低材料开发的重要性，而是界定了本综述的系统级范围。结构策略在热阻、温度均匀性、电热匹配、压损、辅助功耗和运行耐久性方面进行了比较。第2节介绍了系统级比较的控制关系和建模框架。第3节对比了HHX、TEM和CHX的主要设计和开发趋势。第4节考察了结构优化的物理机制，第5节讨论了其在汽车排气、太阳能和工业废热系统中的应用。这一组织方式将部件级结构变化与其在系统边界处的可测量后果联系起来。

在此背景下，本综述有三个相关联的目标：确定HHX、TEM和CHX结构的改变如何影响系统耦合的热、水力学、电和力学行为；检验在纳入压损、辅助功耗和可靠性后，所报告的性能提升是否仍有意义；区分实验验证的机制与主要依靠数值或理论分析支持的机制。实验研究从热源和冷却条件、系统规模、测量变量、总或净功率核算、瞬态运行和测试时长等方面进行考察。数值结果用于解释物理机制并扩展设计参数范围，但不视为与实验或现场验证等效。

### 各节摘要

#### 热电控制关系

如图2所示，TEG通过塞贝克效应运行。维持跨热电元件的温差驱动电子或空穴产生电势，从而向外部负载提供功率 [45]。

热电材料的性能通常使用无量纲材料优值因子zT来评估 [46]：

$$zT = \frac{S^2 \sigma T}{\kappa}$$

其中S为塞贝克系数，σ为电导率，T为绝对温度，κ为

#### TEG结构形式的分类

TEG输出取决于供热、热电转换和散热结构之间的协同性能。其设计必须在低热阻、温度均匀性、压降和热应力之间取得平衡。以下各节对比了HHX、TEM内部结构和CHX的主要设计方案。

以下比较保留了各来源所报告的证据水平。实验发现连同测试热源

#### 结构增强的优化机制

在实际TEG系统中，性能受限于三个耦合过程 [136], [137]。在热侧，接触热阻和热边界层增长降低了传热系数h，降低了Th的幅值和均匀性。在TEM内部，非均匀热通量和电流密度场促进电失配、局部焦耳加热和应力集中，使ηTEG低于ηmax。在冷侧，散热不足导致Tc升高、ΔT缩小并

#### 汽车排气热电发电机（AETEG）系统

内燃机排气损失约占总燃料能量的40%，利用TEG技术回收这一低品位废热是提高整车热效率的关键途径 [163]。然而，排气流量波动和TEM有限的传热性能要求系统设计在强化传热与背压控制之间取得平衡。此外，在实际道路行驶过程中频繁加速和制动，

#### 结论

本综述考察了跨HHX、TEM和CHX的TEG系统结构优化。本文讨论的文献表明，系统性能不能理解为孤立部件改进的简单加和，它取决于热阻、温度均匀性、压损、电匹配和热机应力在从热捕获到热电转换再到废热排放的完整路径上如何平衡。

本综述也存在若干局限性。

### CRediT作者贡献声明

吴明轩：撰写—初稿，调查研究。李伟军：项目管理，资金获取。唐静：资源，项目管理。邵江：调查研究。

### 利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：李伟军声明获得辽宁省教育部门的资金支持。唐静声明获得辽宁省教育部门的资金支持。如有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

### 致谢

本工作得到辽宁省教育科学计划项目（项目编号：JYTM20231430、LJKMZ20220739）的资助。

吴明轩|李伟军|唐静|邵江
辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁省抚顺市东望路1号，抚顺 113001，辽宁，中国