燃料电池热电联产应用的热电结构综述

抽象的

本文首先介绍了南非目前的电力危机，然后是热电危机，并对18个各种适用的案例进行了详细的结构分析。目的是为高效热电(TE)和燃料电池(FC)热电联产系统的研发建立最佳实践。这些文献综述涵盖了热电原理的研究，重点介绍了TE器件的基本结构、teg和TECs，以及对热电在fc中的应用的研究，利用热电回收fc的余热，使发电能力提高~ 7-10%。此外，脉冲直流-直流电源转换器可以增加非平稳的电能，输出功率效率可达到8.4%，较厚的面积覆盖良好的电能可以在动态应用中有效地收集余热。TEG和TEC表现出二元性，TEG温差越大，产生的功率就越大，使用MPPT技术可以稳定，跟踪误差为1.1%。一项对TEG和太阳能的对比研究表明，与相同尺寸的太阳能电池相比，TEG产生的能量更多，但更贵。如果热通量稳定，TEG在热环境下的输出功率和效率可以同时最大化，但如果其温差稳定，则不能。最后得出的结论是，TEC LT-PEM-FC混合热电联产系统可产生2.79 kW的电力、3.04 kW的热量和26.8 W的冷却，总效率约为77%，节油43.25%。本文的研究是提出的贡献，因为它启发性地在一个单一的手稿中强调了各种各样的热电研究/感兴趣的参数，进一步确立了热电的实际应用是可能的，并可以创新地与FC一起应用于高效热电联供应用。

1.介绍

面对南非持续的电力和电力危机[1为了确定、开发和应用最佳实践，为家庭和商业的冷热电联合应用(CCHP)设计一种高效TE燃料电池混合动力能源系统，本文广泛地审查了各种热电研究。如[1[研究问题和燃料电池是否合理地详细介绍。热电，如[2- - - - - -52),是一个热或电的过程,基于材料的热、或电气性能,可以产生热量或冷取决于上的电压极性材料或相同材料热发电的能力,当有温度差异( ）在材料上（技术称为热电偶）表面。此外，有三种效应用于通常称为热电效应的热电，这是（i）塞贝克效应（以发现者，托马斯塞贝克命名），这是来自热量的电力和使能这样的过程的设备的产生普遍已知作为热电发电机（TEG）;（ii）珀耳帖效应（以发现者命名，让百吉河），这是根据所施加的电压极性，是来自电力的冷，或者当相同的施加电压极性颠倒时，是发热的产生从电力和使这种过程的设备普遍称为热电冷却器（TEC）;（iii）汤姆森效应（在发现者之后命名，威廉汤姆森或普遍称为Kelvin）是当电压施加在沿其长度的均匀材料上时的电压时的产生或吸收热量，并且取决于电流的流动，汤姆森效应可能是正的或负的。这种汤姆逊效应是可逆的，结果，当电流流过电导体时，与焦耳或欧姆加热不同，这是一种不可逆的热量。汤姆森效应通常在实践中可以忽略不计（不能利用以产生所需的实际效果），结果，实际的热电通常集中在塞贝克和珀耳帖效应上，因此，热电可以实际定义为可逆的两个 -相同热电过程的方式或三重显示，称为Peltier-Seebeck效果。根据文献，热电可以实际应用于（i）衔接电和/或（ii）提供热管理（冷却和或加热）。 In [33.，电气和热导率通过Wiedemann-Franz法律有关 在哪里为热导载流子贡献，是一个常数，称为洛伦兹数(  WΩK^-2），电导率，和是绝对温度，单位是开尔文。此外，根据热电材料的无因次优值对其进行分类， ，定义为 在哪里是每单位温度的塞贝克电压，单位是开尔文，是电导率，导热系数，和是绝对温度，开尔文(273.15 K)或0℃。

TE器件最大效率( ）由（不同于 ），是由: 在哪里为TEG无量纲性能值，两者的温度差是多少和 ； 设备在温度下的无因次数值是否合适尽管和分别是设备冷热和冷侧温度。什么时候 ，的关系变得 在哪里 是K的价值值吗^-1和被称为TEG电力功率因数。

TEG热/转换效率（ ）被定义为

teg_噘产生的TEG输出功率和问_hTEG热结处吸收的热量。 在哪里是p-n热电偶量，是目前的，是p-n电阻，和为热导率。

TEC性能系数（COP）由

2.感兴趣的热电案例研究

在下一节中，检查了十八级的热电适用的案例研究，以确定可以应用和开发用于设计新型CCHP系统的几个因素。分析了十八个热电性案例研究是对研究至关重要的。

2.1。热电装置作为构造，TEG和TEC

检查(3.，4[热电（TE）材料是固态能转换器，其热，电气和半导体性能的组合使其容易地用于将废热转换为电力或电力直接冷却和加热。材料必须是非常好的电导体，但热导体差;否则，在热和冷侧之间必须保持的温度差将产生大的热回流。TEG无量纲的优点表达在Kelvin（273.15K）的绝对温度下构成TEG / TEC器件的p型和n型材料的效率。teg的优点Z单位温度的塞贝克电压的平方，乘以电导率，再除以热导率，这里是绝对温度。在今天最好的商业TEG / TEC设备中，约1.0;然而，各种研究表明可以非常改善，取决于经典的材料处理方法，如纳米技术，减少装置维度，掺杂增加带结构并使用具有复杂晶体结构的新材料。电热研究的热电材料包括铋和铋 - 锑，铅碲化肽和相关化合物，硅 - 锗合金，刺激物和包合物，氧化物等类型：锌锑苷酸，半发生化合物，金属硅化物和碳化硼。如[3.]，有三类teg:(i)低温(<200°C)， (ii)介质温度(200-600°C)，和(iii)高温(600-1000°C)。更有效的热力学循环和降低材料成本的设计正在进入商业生产。数字1将热电器件描述为(a)结构，(b) TEG和(c) TEC。

２.２.利用teg在HT-PEM FC电源系统中的热能利用

通过[3.， TE器件可用于提高高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEM FC)的效率和负载跟踪能力。设计了一个基于紧密型板翅式换热器和热交换器的热回收子系统，用于收集系统的热废气用于发电。系统地研究了最大功率点跟踪(MPPT)功率调节方法。将teg集成到HT-PEM FC系统的甲醇蒸发器中，以提高整个系统的负载跟踪能力。通过减少热损失，可以提高系统的功率效率。TEG模块工作模式多样且独特;因此，它们被重新定义为热电热流调节器(TERs)。确定了三个关键参数，它们是(i)换热器表面类型，(ii)其外壳尺寸，(iii) TEG电源调节。鉴于此，一个实际的TEG系统建议有以下四个子系统:(i)换热器支持结构，(ii) TEG阵列(将热量转换为电压)，(iii)冷却，和(iv)电力转换器提供工作的直流和/或交流电压负载。数字2描述了研究的方案。

２.３.TEG和燃料电池热电

研究了在2[将需要大约15％的电能转换效率，以获得对热电装置的可接受的投资回报。结果，进行了可行性研究以确定假设16％的效率，热电设备可能会影响美国国防部（DOD）发电能力。基于表明能量转换效率为20％的研究，建立和测试热电装置。在提供的27个热电设备中，只有8个功能;其中，每个设备仅生产1W电力。审查了目前的制造工艺和设计参数并提出了建议。在结束研究时，研究了用于热电装置的40多个特定的应用（设施和非熔融性），其中，实现了在所有这些应用中，热电装置形成至关重要的形状，使能的TEG能够安装在热表面上，在热气流中，沿着工艺吸收辐射热，或集成在堆叠或工艺绝缘中。这种适应性允许在工业过程中集成热电系统，对该过程的影响最小。在表格中1如图所示，示出热电装置有可能提高效率，并且当与不同类型的燃料电池一起使用时，它们各自的发电量增加〜7至10％。此外，如表所示2，TE器件每年产生464 000兆瓦的电力，当应用于从军事流程产生的低级热（LGH），这将每年转化为大于3450万美元的避免生产电力，并导致大约15亿BTU的能量从通常丢弃的lgh生产。此外，这相当于268 000桶的石油年度相同。

２.４.离子热电超级电容器(ITESC)

如[5，温度梯度是由太阳和大量技术产生的，这些技术可以通过热扩散(Soret效应)诱导溶液中的分子浓度梯度。就离子而言，这就导致了由热梯度决定的热电压穿过电解质，与离子塞贝克系数一起（ ）。由于缺乏利用来自Soret效应的能量的策略，没有氧化还原的电解质在热电应用中还没有被探索。通过离子热电超级电容器(ITESC)中的离子Soret效应，证明了一种从间歇热源中获取能量并将其转化为存储电荷的新方法,其达到超过10 mV / k。与与超级电容器串联连接的传统TEG相比，由此产生的ITESC可以转换和存储多千倍的能量。根据 [5[首次证明了聚合物电解质中的SORET效应首次展示了可用于对超级电容器充电的显着离子热电效应。所呈现的ITESC装置需要施加的温度梯度的变化，这使得适用于间歇热源的概念，例如太阳。他们解释了ITESC概念的潜在增强，并预测了能够改善的热电充电转换效率，如果具有低特定的热电容，低导热系数，大的塞贝克系数和高离子电导率，则能够改善。重要的是，由ITESC组成的所有材料（聚合物和无机盐）与工业加工完全兼容。与构成半导体和两个金属触头的通常热电装置相反，其中可以通过沿金属半导体 - 金属堆叠施加温度梯度来提供恒定的电力，而相同的利用原理是不可直接适用的半导体由具有离子作为电荷载体的电解质溶液代替。原因是在金属电极的表面处停止热代理离子，不能通过外部电路。此外，类似于经典的电子材料，效率将随着离子电导率的更高，塞贝克系数更高，导热性较低而增加。但是，对于具有相同的材料值时，典型teg的最大效率大于ITESC。这是因为ITESC的输出功率不是恒定的，而是随时间而减小，如图所示3（a）．数字3（b）概述了ITESC的研究。

2．5．小模块TEG发电分析

根据 [6[从热电表征，可以得出结论，为了产生更多电压，TEG必须串联连接并并联连接以产生更多电流。此外，当冷却冷侧被冷却时，电压和电流（功率）增加 - 用带有且没有风扇的设置研究。数据4（a）- - - - - -4（d）总结实验。NB：TE器件P-N热电偶固有地电连接串联和并联热 -40]。原因是提高电导率和降低导热率。

2.6。TEG和微型涡轮机热电联产系统

在[7]，建立了蒸汽发电与微轮机联合发电系统的热力学模型，如图所示5．数值结果表明，TE器件的加入可以使CHP输出功率几乎翻倍。在[2与其他等同形式的CHP系统相比，TEG催生机更有效。

2.7。高温TEG模块表征系统

陈述[8]，热电(TE)发电机(teg)用于将热能直接转化为电能;然而，目前的teg转换效率有限，缺乏渗透这些高度重要的工业部门的能力，尽管成功地应用于利基领域，如空间应用、科学设备设施和热激光。大多数研究工作集中在新型TE材料的开发上，这类材料具有较高的应用价值-表示热电材料好坏的值。这是一个公认的事实，从实际考虑对于任何给定的热电材料，p型或n型必须超过统一。然而，了解给定热电材料的基本特性不能与TEG的转换效率直接相关。TEG的制造包括TE材料，电极，绝缘板，粘合剂和模块架构的选择。通过描述热电模块表征的几数量的研究论文，这项任务的复杂性是显而易见的。此外，如[8相反，与现有的TE材料表征系统相比，没有可用的商业系统，可以允许精确地表征制造的TEG。因此，他们的研究是为了设计和构建全面的计算机控制特征系统，这将允许内部内置TEG模块的高效表征。该系统掺入了基准工程解决方案中的所有上述特征，整合了高功率加热，液体冷却，液压压缩，力和温度传感 - 全部在可控大气中。测量系统专门设计用于容纳适用于低至高温应用的多种TEG模块。系统精确再现应用条件TEG器件可以在真实的世界环境中进行，其使用参考材料通过直接热通量测量测试。基于碲化铋的热型Tehp-12656-0.3和everredtronics TEG 127-50D TEG模块的特征在于。分析其性能数据并与可用制造商数据进行比较。测量数据与预期值相关，尽管由于传统模块电阻测量中的忽视不准确而被注意到了一些差异。数据6（a）- - - - - -6（c）展示一些研究结果。

2.8。片上TEC和基于TEG模型的设计

在[20.在过去的几十年里，TE器件已被用于许多发电或冷却应用;比如空间能量回收和热沉导弹中传感器的冷却。本研究的重点是在热点TEC和TEG的电子封装中嵌入热电器件的可能性。利用商用CFD求解器FLUENT和模拟电子电路模拟器SPICE，研究了集成在FLUENT模型芯片内的单个和阵列tec和teg的操作 根据测试配置，阵列最大可达9个TECs和/或teg。

这组9个TECs或teg，如图所示7(一)和7（b），提供了与相邻TECS的热耦合和TECS的瞬态脉冲操作相关的重要结果。数字7(c)显示了冷却电流及其对TEC的影响(如图中热点5处)7（b））在各种水平（从3 a的稳态到瞬态水平为6,8和10 a.图7(d)说明了TECs之间的冷却耦合，当开启更多的TECs时，冷却效果最强，在稳定状态下冷却效果最好，而开启较少的TECs时冷却效果最弱，在瞬态条件下(即涉及大电流)冷却效果最差。从图中所示的各种脉冲形状的分析7（e），图中所示的平方根脉冲7(f)考虑到所有重要参数，即最大冷却、电流脉冲关闭后的温度超调、使用的总能量和沉淀时间，获得最佳冷却效果。按图7(g)，也证实了瞬态脉冲持续时间越短对冷却有积极的影响，如果停留的时间越长，冷却就会减弱，因为脉冲开关通电流越长，欧姆加热越多——这在使用平方根脉冲的随机热点的初始控制结果中很明显。总的来说，频繁的热点应该用稳态电流冷却，而不频繁的热点可以用最小周期的平方根瞬态脉冲冷却。更薄的TIM和/或更大的热导率提高了冷却。

片上TEG的类似分析产生了至关重要和直观的结果。如图所示8(一个)，最大功率转移(MPT)发生在负载电阻大于TEG设备电阻时，与已知的事实相反，当负载和源电阻相等时，MPT发生。这种偏差主要是由于产生的功率依赖于冷热接点之间的温差。这种温差也取决于产生的电流，并与负载电阻成反比。因此，如图所示8 (b)，有用的MPT只有在负载和TEG电阻相等和TEG温度恒定时才会发生。此外，增加背景热通量最初增加的有用功率(负载功率)线性，后来改变为抛物线增量，如 ．数字8（c）还表明，减小TEG的热插拔与芯片表面之间的TIM厚度产生从TEG的改善的发电。瞬态对片上TEG的影响是微不足道的，因为TEG是被动的，并且片上热通量存在动态变化。最后，结果结果8（d）在各种TEG阵列上显示了一项研究（见图7（b）用于布局），在MW中研究每个TEG的总有用功率和平均有用的功率，用于五个设置，其片上的片上TEG，如下：（i）仅限TEG 5;（ii）TEG 3,5和7;（iii）TEGS 1,3,5,7和9;（iv）除2和8之外的所有TEG;（v）所有TEG 1-9。建立了添加更多片上的TEGS，始终增加了产生的总有用功率;然而，片上TEG效率在由于过度拥挤而增加时衰减。

2.9。混合TEC-TEG模型和实验

根据 [10.]模拟了一种新的热电冷却器 - 热电发电机（TEC-TEG）模块（图9(c))和实验(图9(d) -9（e））使用COMSOL Multiphysics建模软件研究，如图所示9(一)-9（G）。研究的模块由TEC组成（图9(一)),羊毛(图9(b))和系统总散热图9（C）-9(e)所有串联热连接。向TEC施加输入电压(1至5 V)，其中电子通过Peltier效应将模块上部的热量( ）到下侧（ ）创建温差。TEG作为TEC的中间散热器，将余热转移到整个系统散热器，并通过一种叫做塞贝克效应的现象将一部分余热转化为电能。不同TEC输入电压下TEC-TEG的温度曲线及TEG的电势:(i) 和 ，（ii） 和 ，和(3) 和 测量了。数字9(f)表示TEC输入电压对温差的影响( ）在模拟和实验结果中穿过TEG的冷热侧面 - 在哪里与输入电压成正比，以及与TEG输出电压的直接成比例，如图所示9（g）相关结果。

2.10。不稳定的羊毛

在[12.，21.，22.，综述了非定常热电的理论文献，对热电材料和器件中的非定常和脉冲过程的不同方面进行了研究。对热电装置的动态特性进行了理论分析，包括对热电发电机的小信号和大信号的分析，并详细讨论了准平衡热电的原理。特别关注了非稳态热电的非常规状态的理论研究，即当TE材料/器件完全不平衡时热电性能的快速时间依赖性。快速依赖的理论结果表明，相对于静止运行技术，快速依赖可以提高热电发电机的输出功率。

公开了使用FirstStationAry热电发电机原型获得的实验结果，其被设计用于在快速时间依赖模式下操作。在进行的R＆D可以确认可以在交流模式（约数百kHz的交流频率）中获得更多的电输出功率，并且感兴趣的TE参数包括能量容量，响应速度，响应时间改进，温度依赖性物理参数和输出特性;考虑珀耳帖热产，保温侧表面的有效性，以及基于有限长度模型的热稳定。在90年代初，Aspen和Strachan在高频模式下提出了优先级专利，以后发表了MHz热电发电机的开发和演示试验结果，成为远离均衡的热电的第一工作。Strachan，他们开发了一个振动器的振动器，打破肾结石也注意到他的装置可以用作热泵（产生冰）或两侧之间的温差，它可以产生足以操作小风扇的电力。1994年的Jon Schroeder宣布了一个环形TEG在60 Hz脉冲，他于1999年发表了一篇关于它的论文，并在2004年建立了一个原型，但令人遗憾的是，它没有工作。

Schroeder进一步设计了一种名为Schroeder ring的环形TE装置。在这种装置中，热气体在中心产生热量，这些热气体可以是来自天然气的燃烧气体。热通过对流和辐射传递到径向叶片。非平稳teg是在法拉范围内具有高电容值的teg(类似于超级电容器)，这使得它们的脉冲可在100 kHz以上工作。Apostol假设脉冲可以提高TEG效率，因为超快的传导正如预测的那样。奈德尔库和斯德哥尔摩在2001年观察到，当电流以50千赫脉冲时，电能是恒定的 -这证明了小电阻(正确的阻抗)应该被考虑到有效地提取电力。奈德尔库后来证实了阿珀斯托尔的工作，建造了一个TEG，四个商用TEG电连接在一起。电流输出脉冲使用mosfet在200千赫左右。变压器的输出电流被整流。负载为100w灯丝灯泡。测量的电压为210 V，电流为0.4 A，输出功率为84 W。由~1 kW热源推算出的总效率(包括热损失)为8.4%。这种方法的转换效率大约是直流模式下的两倍。数字10.说明了TEG电输出功率是如何脉冲的。

2.11。动态热电（TE）能量收获中的TEG设计

介绍在[9是对动态TE采集的TEG设计的分析，这种技术可以利用环境中的温度波动来发电，例如汽车车身或工业机器。如图11.在美国，它采用了蓄热单元(HSU)和相变材料(PCM)来增加蓄热，与环境绝缘，并与TEG进行热接触。给定温度循环的可用能量是有限的，并由HSU的容量决定。仿真和实验表明，通过优化热泄漏和动态响应延迟之间的平衡，特定的TEG设计可以提高能量输出。为实验开发了一个3d打印的双层HSU。7.5 g相变材料在±22℃温度循环下的输出能量为30 J，这足以满足典型的占空比无线传感器平台的需求。研究表明，较厚的teg和选择特定的表面覆盖面积可以达到最大的潜在性能。测试了不同厚度的teg，如图所示11.．这些结果可以作为动态TE收割机的设计和制造指南，适用于需要中等温度(<50°C)变化环境的应用。

2.12。TEG和1kw低温(LT) PEM FC废热回收

在[14.燃料电池是一种通过氢和氧之间的电化学反应产生电力的装置。放热反应的一个主要副产品是余热。为了提高能源的整体利用率，对这些废热的回收进行了研究。然而，由于高质量的废热，几乎所有的研究都集中在使用先进的热力学循环的高温燃料电池。在这篇文章中，研究了使用直接能量转换装置从低温燃料电池中收集余热的方法、特性和挑战。开发了一种用于开式阴极1kw LTPEM FC的热回收系统，该系统使用一个单独的TEG单元连接到热管上。通过改变燃料电池的功率输出来获得不同堆温下的TEG性能。在TEG冷侧采用自然对流和强制对流两种冷却方式。这是为了模拟微型燃料电池汽车在静止和运动状态下的状况。对实验结果进行了分析，建立并比较了基于热回路类比的数学模型。 Forced convection mode resulted in higher temperature difference, output voltage, and maximum power which are 3.3°C, 33.5 mV, and 113.96 mW, respectively. The heat recovery system for a 1 kW LT-PEM FC using a single TEG was successfully established and improved the electricity production from the FC. Moreover, the experimental results obtained correlated the theoretical results. Figure12.描绘了理论和实验设置和测试结果。

2.13。TECs作为teg具有5 kW LT-PEM FC CHP废热回收

介绍在[15.为作为teg的TECs的实验性能(图13 (b)）在5 kW LT-PEM FC中的废热回收系统中（图(13日)）。系统设置（图13 (d))构成热电热回收系统(THRS;参见图13 (e)由热交换器组成（图13 (c)），四个TECS（数字13.(f)和(13日))和一个典型的散热器(图13 (e)， 1)附着在TEC的冷侧 数组中。数据13 (g)来13 (j)如图所示显示各种测量参数。实验结果表明，TECs作为teg可以很好地回收LT-PEM FC的废热。由于出水温度低，CHP系统的总效率随着出水温度的升高而降低 ；结果，TEG开路电压降低。最后，为了评估有用的输出功率，MPT发生在负载电阻从1变为10时Ω．

2.14。不间断地通过温度传感器的MPPT收获能量收获

调查在23.]是一种具有温度传感器的最大功率点跟踪（MPPT）方案的热电发电机能量利用系统。扰动和观察（P＆O）技术通常用于TEG应用，但它对快速变化的功率输出响应不良。另外，用于光伏（PV）电池的习惯MPPT算法可能不适合TEG发电，因为TEG系统需要达到稳定状态的重要时间。此外，对于低功率能量收集应用，不希望在传统电路中的复杂性和额外的电源消耗和电源的周期性断开。图中的研究方案14（a）和14（e）-14（g）可以跟踪波动的最大功率点(MPP)与一个简单和廉价的温度传感器为基础的电路，无需瞬时功率测量或TEG断开。该方法利用TEG的开路电压(OCV)相对于温度梯度的属性来产生合适的参考电压信号，该参考电压信号是TEG的开路电压的一半。升压功率转换器控制器将TEG输出电压保持在参考电平，以便在给定的温度条件下提取最大功率。这种前馈最大功率跟踪方法具有固有的稳定性，无需任何复杂的微控制器电路即可实现。所研究的技术分析和实验相关，有最大的功率跟踪误差1.15%。数字14（b）为TEG等效电路。数据14（c）和14（d）显示操作波形。

2.15。TEG与太阳能发电比较

检查(24.]是TEG和太阳能的比较研究，如图所示15 (e)．数字(15日)展示了TEG概念。数字15 (b)描述了基于两端TEG温差的输出功率。测试的TEG热侧温度范围为50 ~ 300°C，冷侧温度范围为25 ~ 100°C。温差越大，TEG输出功率越大。TEG产生了~20 W，温差275°C，热侧温度为300°C，冷侧温度为25°C。数据15 (c)和15 (d)展示TEG和太阳能测试设置。结果表明，在尺寸上，TEG组件相对于太阳能组件可以产生更多的功率;然而，teg产生相同数量的电力的成本更高。此外，teg需要大产生合理的能量。

2.16。热环境对蒸汽发生器最佳工作条件的影响

如在[27.]，母亲（图(16日))和诺顿(图16（b））TEG模型用于表明，如果其热通量是恒定的，则可以同时最大化热环境的TEG输出功率和效率，但如果其温差是恒定的情况，则不能同时最大化。数据16 (c)和16（d），分别将TEG的标准化输出功率描述为最大化比率的函数和两种TEG的标准化效率的函数(图)(16日)和16（b））。通过建议TEG功率优化的结论是三个步骤的研究：（i）最好的选择TEG器件或最佳材料或ZT̅，（ii）使用热阻抗匹配来确定TEG尺寸，（iii）使用电阻抗匹配来确定TEG负载。

2.17。热电冷却器(TEC)和LT PEM燃料电池热电联产系统

根据 [25.，原动机是一个LT PEM FC。副产品为~80°C的低质量热和水冷凝物。采用热电冷却器(TEC)作为冷却系统。建立了燃料电池和热电冷却器的数学模型，仿真结果与文献中公布的数据进行了验证。实验结果验证了一种新型微热电联产系统的有效性。结果表明，该循环可产生2.79 kW的电、3.04 kW的热、26.8 W的冷，三联循环总效率为76.94%，节油43.25%。数字17.总结了该计划。

2.18。具有负载和温度变化的TEG和P＆O MPPT的建模

调查在50，当连接到TEG的负载与其内阻相匹配时，可获得最大功率。然而，阻抗匹配并不总是切实可靠的。因此，在如图所示的设置中(18日)，利用MATLAB/Simulink对TEG进行建模，并基于某TEG厂商的数据表进行实现。使用不同负载时，TEG连接到一个无MPPT的升压变换器上，当与~7匹配时，高达98%的TEG功率转移到负载上Ω但对于其他负载值却不是这样。在另一次运行中，升压变换器采用P&O MPPT算法，将其输出再次连接到不同的负载，产生的~20 W的功率与负载从7到70 Ω保持不变，如图所示18 (c)．使用TEG热侧温度( ）使用20°C的固定冷侧温度的变化，实现了输出功率效率<90％ °C。所提出的TEG、升压变换器和P&O MPPT模型通过实验TEG系统设置进行了验证，如图所示18 (b)．

3.检查了十八个热电性案例研究的概述

桌子3.介绍每个案例研究的亮点以及适用的利弊。

4。结论

能源安全和电力危机是南非持续存在的紧迫社会问题。在此基础上，本文对18项热电应用研究进行了结构回顾，以设计出适合国内/商业应用的混合热电联产系统。为了实现这一目标，对过去的热电研究进行了各种分析，其中与燃料电池共/三联发电相关的案例研究是最感兴趣的。在这些研究中，热电通过将废热转化为电能(teg)和将电转化为冷(TECs)，提高了电力效率。还研究了是离子热电展品超级电容器性能和结论是TEC和质子交换膜燃料电池混合动力燃气热电冷联产系统研究中,质子交换膜燃料电池是原动机和TEC冷却器,能够产生2.79千瓦的电力,3.04千瓦的热量,和26.8 W冷,总效率43.25% ~ 77%,节约燃料。本文总结了18个个案研究的重点、优点和缺点，并提出了关键的发现和贡献。因此，在热电联产应用中使用热电联产和解决热电联产燃料短缺现象的替代研究模型是可行的，应该进行研究。

术语表

：	温差热电装置的冷热面之间的温差，单位为开尔文或摄氏度
：	电导率(西门子/m)是电阻率的倒数（Ω. m)
：	TEG最大效率由
：	TEG的热或电或转换效率
：	被称为TEG电力因子（W / MK2）
交流:	交替的电流
燃气热电冷联产:	组合冷却加热和功率
CHP：	热电联产
警察：	性能系数
cput：	开普半岛理工大学
DC：	直流
国防部:	国防部
FC：	燃料电池
心力衰竭:	高频
香湖：	蓄热装置
ht pem fc：	高温聚合物电解质膜燃料电池
：	电流(A)
ITESC:	离子热电超级电容器
：	导热系数（W / MK）
：	导热载流子贡献(W/mK)
：	导热率（W / K）
如果：	低频率的
lgh：	低级热
：	常数被称为lorenz号码（  WΩK-2）
LT PEM FC:	低温聚合物电解质膜燃料电池
MPT：	最大功率传输
MPPT:	最大功率点跟踪
：	P-N热电偶金额
OCV：	开路电压
P＆O：	扰乱和观察
PCM:	相变材料
PEM:	聚合物电解质膜或质子交换膜
PV:	光伏
问h：	在TEG热连接（W）时吸收的热量
：	P-N热电偶电阻(Ω)
：	每单位温度的塞贝克电压(V/K)
：	开尔文（273.15 k）或0°Celsius的绝对温度
：	平均温度的单位是开尔文
：	热电装置或材料冷侧（Kelvin或Celsius）的温度
：	热电装置或材料热侧的温度（Kelvin或Celsius）
TE:	热电
侦探:	热电冷却器
侦探警察：	TEC性能系数
羊毛:	热电发电机
羊的羊毛噘：	TEG产生电源输出电量（W）
第三款:	热电热流调节器
刺:	热电热回收系统
蒂姆:	热界面材料
：	TE设备k的优点图-1
：	TE材料性能指数，用K测量-1
：	TE器件在绝对温度(273.15 K)下的无因次优值
：	TE器件在温度下的无因次因数
：	热电材料在绝对温度(0°摄氏度)下的无因次数值。

数据可用性

研究数据仍在为研究人员使用;在这个阶段发布数据可能会导致其他人将数据用于研究目的。目前，数据资源的共享仅限于相关研究人员。

利益冲突

作者宣布没有关于本文的出版物的利益冲突。

致谢

该研究得到了HySA系统的支持。

参考

1. D. Bessarabov，G.人，A. J.Kruger等，“南非氢基础设施（HYSA基础设施），用于燃料电池和能量存储：项目组合概述”国际氢能杂志，卷。42，不。19，PP。13568-13588,2017。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
2. J. Huston, C. Wyatt, C. Nichols, J. M. Binder，和F. H. Holcomb，热电装置在燃料电池发电中的应用:论证与评价，美国陆军工程兵团，工程研究与发展中心，华盛顿特区，美国，2004。
3. x高,具有集成热电废热回收的HT-PEM燃料电池系统，能源科技系Aalborg大学，丹麦，2014年，博士论文。
4. L. E. Bell，“用热电系统冷却、加热、发电和回收废热”，科学第321卷58，第1457 - 1461,2008。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
5. Zhao D.， H. Wang, K. Z. Ullah et al.， " Ionic thermoelectric super capacitors， "能源与环境科学，第9卷，第5期。4, pp. 1450-1457, 2016。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
6. K. H. Mahmud, S. A. Yudistirani，和A. I. Ramadhan，“模型热电发电机(TEG)小模块的功率特性分析”，国际科技研究杂志，卷。6，不。4日，2017年。查看在：谷歌学术搜索
7. Z.Qu，T. Ma，X. Yu和Q. Wang，“热电发电机和微型涡轮机联合发电系统的参数研究”化学工程事务， 2018年第70卷。查看在：谷歌学术搜索
8. T. Katkus，“高温热电发电机模块特性系统的设计与构建[博士论文]，”澳大利亚卧龙岗大学超导与电子材料研究所，2015，http://ro.uow.edu.au/theses/4499．查看在：谷歌学术搜索
9. M. E. Kiziroglou, T. Becker, S. W. Wright, E. M. Yeatman, J. W. Evans, P. K. Wright，“动态热电能量收集中的热电发电机设计”，物理学报:会议系列，卷。773，没有。2016年，第012025年，2016年。查看在：谷歌学术搜索
10. 张勇，“新型热电冷却器-热电发电机模块的建模与实验，”能量，第11卷，第5期。2018年，第576页。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
11. o. ando junior，N.H. Calderon和S.S. de Souza，“热电发电机（TEG）系统的表征，用于废热回收”，“能量，第11卷，第5期。6，p。1555,2018。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
12. J. Stockholm, C. Goupil, P. Maussion，和H. Ouerdane，“瞬态热电发电机:主动负荷的故事”，电子材料学报，电气与电子工程师学会，第44卷，第5期。6, pp. 1768-1772, 2015。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 陈伟、林毅夫，“不同材料热电发电机的性能比较”第10届国际应用能源国际会议（ICAE2018），中国香港，2018年8月。查看在：谷歌学术搜索
14. M. S. Sulaiman, W. a . Mohamed, B. Singh，和M. F. Ghazali，“使用热电发电机对1kW PEM燃料电池余热回收模型的验证”，IOP会议系列:材料科学与工程，卷。226，第012148号，2017年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
15. M. Hasani和N.Rahbar，“热电冷却器作为发电机在废热回收中的燃料电池 - 实验研究”国际氢能杂志，第40卷，第5期。43, pp. 15040-15051, 2015。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
16. R. J. Parise和G. F. Jones，“具有热电冷却器的燃料电池热管理，”第37届社会间能源转换工程大会（IECEC）2002年7月，美国华盛顿州华盛顿。查看在：谷歌学术搜索
17. 陈旭东，“磷酸燃料电池-热电发电机混合动力系统的最大功率输出与负载匹配”，电源杂志，第294卷，pp. 430-436, 2015。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
18. N. Rahbar和a . Asadi，“使用热电模块测量太阳强度;实验研究和数学建模，”能源转换和管理，卷。129，pp。344-353,2016。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
19. “环形热电偶性能的理论分析”，能源转换和管理，卷。89，pp。244-250,2015。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
20. O. A. Sullivan，用于片上冷却和发电的嵌入式热电装置，佐治亚州理工学院，亚特兰大，美国，2012年，MSC论文。
21. j·g .斯德哥尔摩非平稳热电发电机，Intechen，伦敦，英国，2016年。查看在：出版商的网站
22. J. Stockholm, K. Wojciechowski, J. Leszczynski, K. Witek, P. Guzdek，和J. Kulawik，“有主动负载的热电发电机”，今天材料:诉讼，第2卷，第2期2, pp. 744 - 750,2015。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
23. J. Park, H. Lee和M. Bond，“使用基于温度传感器的最大功率点跟踪系统的不间断热电能量收集”，能源转换和管理，卷。86，pp。233-240,2014。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
24. F. Yildiz, K. L. Coogler和B. Crockford第120届ASEE年会暨博览会．
25. M. Ebrahimi和E. Derakhshan，“微结合冷却，加热和基于聚合物交换膜燃料电池和热电冷却器的微结合冷却，加热和电力系统的设计和评估”，能源转换和管理，第171卷，第507-517页，2018。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
26. H. Goldsmid，《转换效率和价值》，CRC热电学手册，第19-25页，1995。查看在：谷歌学术搜索
27. “热环境对热电发电机最佳工作条件的影响”，《中国机械工程》，应用物理学杂志，卷。116，没有。14，p。144901,2014。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
28. c·b·维宁，《热电学难以忽视的真相》自然材料，第8卷，第2期2，第83-85页，2009。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
29. h·李,热设计:散热器，热电，热管，紧凑型热交换器和太阳能电池，John Wiley＆Sons，Inc。，2010，Wiley，New Jersy，2010年，2010年第1版。
30. a·f·约飞半导体热元件和热电冷却， Infosearch Limited，伦敦，英国，1957年。
31. A. elarusi，A. Attar和H. Lee，“汽车座椅气候控制（CSCC）的热电冷却/加热系统的最佳设计”，“电子材料第46卷，第46期4，pp。1984-1995,2017。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
32. W. Wang, V. Cionca, N. Wang, M. Hayes, B. O 'Flynn, and C. O 'Mathuna，“建筑能源管理无线传感器网络的热电能量收集。”国际分布式传感器网络杂志，第9卷，第5期。6、2013。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
33. S. Twaha，J.Zhu，Y. Yan和B. Li，“全面审查热电技术：材料，应用，建模和性能改进，”模型和性能改进。可再生和可持续能源评论，卷。65，pp。698-726,2016。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
34. Y. Xing，R. Liu，J.Liao等，“通过自我传播合成和拓扑结构优化实现了”高效半步热电模块“，能源与环境科学，卷。12，不。11，pp。3390-3399,2019。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
35. h·李,热电学:设计与材料， John Wiley Inc.，新泽西，美国，2016。
36. S. Li，K.H.Lam，K. Cheng“发电板不同热通量传导材料的热电分析”能量，卷。10，不。11，p。1781年，2017年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
37. M. O. Cernaianu和A. Gontean，“热电模块的寄生元素建模”IET电路设备系统，第7卷，第5期4，pp。177-184,2013。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
38. H. L. Tsai和J. M. Lin，“使用MATLAB / Simulink的热电模块模型建筑和仿真”，电子材料，卷。39，没有。9，PP。2105-2111,2010。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
39. M. A. Musleh, E. Topriska, L. Jack，和D. Jenkins，“智能建筑中无线传感器网络应用的热电发电机实验性能测试”，Matec会议网页，第120卷，第08003条，2017。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
40. A. M. Yusop，R. Mohamed和A. Ayob，“热电发电机的模型建筑”暴露于动态瞬态来源“IOP会议系列:材料科学与工程，第53卷，2015年第1页。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
41. 金海生，刘伟，陈刚，朱昌文，任志强，“热电性能指标与能量转换效率的关系”，美国国家科学院院刊，卷。112，没有。27，pp。8205-8210,2015。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
42. H. A. Madkhali，A. Hamil，H. Lee，“太阳能热电发电机型号的验证，优化和仿真”，电子材料第46卷，第46期12, pp. 6756-6768, 2017。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
43. 陈建军，李凯，刘超等，“通过优化机电结构提高热电发电机效率”，能量，卷。10，不。9，p。1329年，2017年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
44. 洪敏，郑凯，李伟等，基于高效Gete的热电装置的计算机辅助设计，能源与环境科学，伦敦，英国，2020。
45. W. D. Liu，L. Yang，Z. G.陈和J.Zou，“有前途和环保的Cu2x的热电材料：进展和应用”先进材料，第32卷，第2期8, p. 1905703, 2020。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
46. Qiu P.， Mao T.， Huang Z. et al.，“基于类液体材料的高效稳定热电模块”，焦耳，卷。3，不。6，PP。1538-1548,2019。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
47. 何伟，张刚，张旭东，季建军，李国和，“热电发电机和热电冷却器的最新发展与应用”，应用能量，卷。143，pp。1-25,2015。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
48. E. Müller, K. Zabrocki, C. Goupil, G. J. Snyder，和W. Seifert，“功能分级热电发电机和冷却器元件”，刊于热电学中的材料，制备和表征，CRC Press，2017年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
49. 石学林，陶新民，邹骥，陈志刚，“高性能热电SnSe的水合成、创新与挑战，”先进的科学，第7卷，第5期7、2020年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
50. H. Mamur和Y. Çoban，“用于最大功率点跟踪的热电发电机的详细建模，”土耳其电气工程与计算机科学杂志。第28卷第2期1, pp. 124-139, 2020。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
51. J. L. Wang，J. Y.Wu和C. Y. Zheng，“用废气深回收和热电发电机的CCHP系统的仿真与评估”，能源转换和管理，卷。86，pp。992-1000，2014。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
52. M. Hong，W.Lyu，Y. Wang，J.Zou和Z. G. Chen，“建立了最大化热电性能的塞贝克系数的黄金范围”美国化学学会，卷。142，没有。5，PP。2672-2681,2020。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索

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