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 температурногодиапазона 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.

1. Saidur R., Rezaei M., Muzammil W.K., Hassan M.H., Paria S., Hasanuzzaman M. Technologies to recover exhaust heat from internal combustion engines // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012. V. 16. N 8. P. 5649–5659. doi: 10.1016/j.rser.2012.05.018

2. He J., Tritt T.M. Advances in thermoelectric materials research: Looking back and moving forward // Science. 2017. V. 357. N 6358. P. eaak9997. doi: 10.1126/science.aak9997

3. Olabi A.G., Al-Murisi M., Maghrabie H.M., Yousef B.A.A., Sayed E .T., Alami A .H., et al. Potential applications of thermoelectric generators (TEGs) in various waste heat recovery systems // International Journal of Thermofluids. 2022. V. 16. P. 100249. doi: 10.1016/j.ijft.2022.100249

4. Wang B., Zhao H., Li J., Zhang B., Wang D., Chen C., et al. Enhanced thermoelectric performance of Sb-doped Mg2Si0.4Sn0.6 via doping, alloying and nanoprecipitation // Journal of Materiomics. 2024. V. 10. N 2. P. 285–292. doi: 10.1016/j.jmat.2023.06.001

5. Goyal G.K., Mukherjee S., Mallik R.C., Vitta S., Samajdar I., Dasgupta T. High thermoelectric performance in Mg2(Si0.3Sn0.7) by enhanced phonon scattering // ACS Applied Energy Materials. 2019. V. 2. № 3. P. 2129–2137. doi: 10.1021/acsaem.8b02148

6. Федоров М.И. Термоэлектрические силициды: прошлое, настоящее и будущее // Термоэлектричество. 2009. № 2. С. 53–64.

7. Кузнецов Ю.М. Дорохин M.В., Калентьева И.Л., Здоровейщев А.В., Демина П.Б., Ерофеева И.В. [и др.] Синтез и термоэлектрические свойства высшего силицида марганца // Физика и техника полупроводников. 2024. Т. 58. № 7. С. 376–380. doi: 10.61011/FTP.2024.07.59181.6350H

8. Mouko H.I., Romanjek K., Mejri M., Oulfarsi M., El Oualid S., Malinconi P., et al. Manufacturing and performances of silicide-based thermoelectric modules // Energy Conversion and Management. 2021. V. 242. P. 114304. doi: 10.1016/j.enconman.2021.114304

9. Mejri M., Malard B., Thimont Y., Romanjek K., Mouko H.I., Estournès C. Thermal stability of Mg2Si0.55Sn0.45 for thermoelectric applications // Journal of Alloys and Compounds. 2020. V. 846. P. 156413. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.156413

10. Skomedal G., Holmgren L., Middleton H., Eremin I.S., Isachenko G.N., Jaegle M., et al. Design, assembly and characterization of silicide-based thermoelectric modules // Energy Conversion and Management. 2016. V. 110. P. 13–21. doi: 10.1016/j.enconman.2015.11.068

11. Brito F.P., Peixoto J.S., Martins J., Gonçalves A.P., Louca L., Vlachos N., et al. Analysis and design of a silicide-tetrahedrite thermoelectric generator concept suitable for large-scale industrial waste heat recovery // Energies. 2021. V. 14. N 18. P. 5655. doi: 10.3390/en14185655

12. Jung J.Y., Kim I.H. Synthesis and thermoelectric properties of n-Type Mg2Si // Electronic Materials Letters. 2010. V. 6. N 4. P. 187–191. doi: 10.3365/eml.2010.12.187

13. Guo W., Li J., Pan H., Deng Y., Chen B., Jing R., et al. Improving n-type thermoelectric performance of Mg2Si0.4Sn0.6 compounds via high pressure and Sb-doping // Journal of Alloys and Compounds. 2024. V. 1002. P. 175366. doi: 10.1016/j.jallcom.2024.175366

14. Jayachandran B., Prasanth B., Gopalan R., Dasgupta T., Sivaprahasam D. Thermally stable, low resistance Mg2Si0.4Sn0.6/Cu thermoelectric contacts using SS 304 interlayer by one step sintering // Materials Research Bulletin. 2021. V. 136. P. 111147. doi: 10.1016/j.materresbull.2020.111147

15. Ordonez-Miranda J., Hermens M., Nikitin I., Kouznetsova V.G., van der Sluis O., Ras M.A., et al. Measurement and modeling of the effective thermal conductivity of sintered silver pastes // International Journal of Thermal Sciences. 2016. V. 108. P. 185–194. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2016.05.014