שיפור צפיפות הספק TEG באמצעות מבנה צינור חום משולב
התקן TEG עם צינורות חום משולבים משפר את ביצועי העברת החום בין מקורות קור/חום ומודולים תרמו-אלקטריים. חוקרים הכניסו מבני צינור חום לעיצובים מוערמים מסורתיים, תוך ניצול המוליכות התרמית הגבוהה של צינורות החום כדי לשנות את כיוון העברת החום, מה שהופך את כיוון הערימה לתואם לכיוון זרימת החום, מה שעוזר לשלב יותר מודולים תרמו-אלקטריים בשטח מוגבל. באמצעות ניסויים בספסל, תחת זרימת חום של 650 K ו-50 אלפיות השנייה-1, התקן TEG יכול לייצר הספק מוצא של 848.37 W וצפיפות הספק ברמת מערכת גבוהה במיוחד של 48.22 WL-1, תוך השגת שיפור משמעותי בצפיפות ההספק. בינתיים, ניתן להרחיב אותו לתרחישי יישומים שונים על ידי שינוי מבנה הערימה.
מבנה TEG מציג תצורה משושה בכללותה, המורכבת על ידי ערימת לוחות קצה חמים, לוחות קצה קרים ומודולים תרמו-אלקטריים בין השניים. כל פלטת קצה חמה מצוידת ב-12 צינורות חום קצה חמים, המסודרים בצורה מדורגת בין שכבות שונות כדי להבטיח את ביצועי העברת החום בין צינורות החום לגז הפליטה בטמפרטורה גבוהה; כל פלטת קצה קרה מצוידת ב-12 צינורות חום קצה קר בפנים, המעבירים חום לפגמים בתצורת המשושה לקירור ומשפרים את ניצול החלל.
יישומי הנדסה של TEG צריכים לעמוד בשתי דרישות בו-זמנית: יצירת כוח פלט מספק בחלל מוגבל, והימנעות מלחץ אחורי מופרז של הפליטה. המחבר השתמש בשילוב של CFD ומודלים של צימוד תרמו-אלקטרי כדי לבצע סימולציות של אלמנטים סופיים על הביצועים התרמודינמיים וייצור החשמל של TEG המשולבים בצינורות חום. מחקרים הראו שהגנרטור התרמו-אלקטרי יכול לבנות הפרש טמפרטורות גבוה מספיק בשני הקצוות של המודול התרמו-אלקטרי תוך הבטחת לחץ אחורי מפלט קטן, עם הספק של מודול יחיד של 3.89 וואט.
החוקרים שילבו תחילה את צינור החום עם הצלחת השטוחה בקצה החם/קר כדי ליצור יחידת קצה חמה/קרה; לאחר מכן, החל מהשכבה הראשונה של צלחת שטוחה קצה חם עם כניסת פליטה, ההרכבה מתבצעת שכבה אחר שכבה, ולבסוף מיוצר אב טיפוס שלם עם 240 מודולים תרמו-אלקטריים. במהלך תהליך ההרכבה של רכיבים שונים, מורחים גריז תרמי על ממשק המגע כדי לחסל פערים. מכשיר ה-TEG המיוצר בשיטה זו יכול להתאים את שכבות הערימה לפי תרחישי יישום שונים כדי לייצר כוח פלט מספיק ויש לו מגוון רחב של ישימות.
אם נעשה שימוש בחומרים תרמו-אלקטריים עם ביצועים גבוהים יותר ובמודולים תרמו-אלקטריים עם טמפרטורות הפעלה גבוהות יותר, התקן TEG יוכל לעמוד בהעברת חום גדולה יותר, ובכך להשיג הספק תפוקה וצפיפות הספק גבוהים יותר.
