Моделирование структуры и характеристик термоэлектрических устройств на основе соединений магния

Введение. В связи с глобальным изменением климата остро стоит задача декарбонизации и повышения эффективности процессов и устройств энергетического сектора экономики. Одним из направлений повышения энергетической эффективности является рекуперация низкопотенциального тепла за счет применения термоэлектрических генераторов (ТЭГ). Перспективными материалами для таких устройств являются силициды. Однако их применение ограничивается недостаточной термостабильностью при высоких температурах. В частности, высокоэффективный материал — твердый раствор силицида и станнида магния (Mg₂Si_0,4Sn_0,6) деградирует при температурах выше 400 °C, в то время как более стабильный силицид магния (Mg₂Si) обладает меньшей термоэлектрической эффективностью. Для преодоления этого ограничения предлагается использование сегментированной конструкции n-ветви ТЭГ, сочетающей оба материала. Целью работы является моделирование и оптимизация ТЭГ, содержащего сегментированную ветвь n-типа, для расширения рабочего температурного диапазона при сохранении высокого коэффициента полезного действия. Метод. Исследование выполнено методом компьютерного моделирования в программной среде COMSOL Multiphysics. Разработана трехмерная стационарная модель ТЭГ, состоящего из 127 пар термоэлектрических ветвей. Ветвь p-типа выполнена из высшего силицида марганца. Сегментированная ветвь n-типа состоит из Mg₂Si на горячей стороне и Mg₂Si_0,4Sn_0,6 на холодной. В модели использовались модули для описания процессов теплопереноса и электропереноса с учетом термоэлектрического эффекта. Учитывался тепловой контакт между различными частями генератора. Для анализа влияния геометрии варьировалось соотношение высот сегментов (от 30 % до 80 % для Mg₂Si_0,4Sn_0,6). Для генератора с оптимальным соотношением высот сегментов построены рабочие характеристики ТЭГ. Основные результаты. Согласно результатам моделирования коэффициент полезного действия модуля с сегментированной ветвью повышается до 5,3 % по сравнению с 2,9 % на ТЭГ, n-ветви которого состоят только из Mg₂Si при температуре на горячем спае 500 °С. При определенной конфигурации сегментированной ветви такой температурный режим становится допустимым, а результаты модели сопоставимы с коммерчески доступными устройствами. Обсуждение. Результаты компьютерного моделирования демонстрируют, что предложенная конструкция сегментированного силицидного ТЭГ является эффективным решением для преодоления ограничения по термической стабильности высокоэффективного материала Mg₂Si_0,4Sn_0,6. Предложенная конструкция позволяет существенно расширить рабочий температурный диапазон устройства при приемлемом уровне коэффициента полезного действия.