[논문 리뷰] Segmented thermoelectric generators: Impact of junction temperature variation on the series circuit's properties

Y. Apertet, Henni Ouerdane외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 25.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 직렬로 연결된 두 개의 열전발전기(TEGs)를 모델링하여, 접합부에서의 열연속성이 전류에 따라 변화하는 접합 온도에 의존하는 예상치 못한 전기 저항 항목을 도입함을 보여준다. 연구는 등가 직렬 성능 지표를 유도하고 직렬 및 병렬 구성을 통한 열전기적 대칭성을 규명하여 열전기적 호환성 분석을 발전시킨다.

ABSTRACT

We present and analyze a model of a system constituted of two thermoelectric generators (TEGs) thermally and electrically connected in series. For simplicity the parameters of both TEGs are assumed to be temperature-independent. The derivation of the equivalent electrical series resistance yields an unexpected term whose meaning and impact are discussed. We demonstrate that this term must exist as a consequence of thermal continuity at the interface, since it is related to the variation of the junction temperature between the two TEGs as the electrical current varies. We then derive an expression for the equivalent series figure of merit and use it to discuss the approach of thermoelectric compatibility. Finally we highlight the strong thermal/electrical symmetry between the parallel and series configurations.

연구 동기 및 목표

• 열전기적 매개변수의 온도에 독립성을 가정하여, 두 개의 TEGs가 직렬로 연결된 경우의 전기적 및 열적 거동을 모델링하는 것.
• 접합부에서의 열연속성으로 인해 발생하는 전류에 따라 변화하는 접합 온도가 등가 직렬 저항에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 시스템 성능과 호환성을 평가하기 위한 등가 직렬 성능 지표를 유도하는 것.
• 열전기 시스템에서 직렬 및 병렬 구성 간의 대칭성을 탐구하는 것.

제안 방법

• 온도에 따라 일정한 물성값을 가진다고 가정하여, 두 개의 TEGs가 직렬로 연결된 경우의 열전기 결합 모델을 개발하는 것.
• 등가 직렬 전기 저항을 유도하고, 전류에 따라 접합 온도가 변화함에 따라 나타나는 놀라운 항목을 규명하는 것.
• 이 항목의 물리적 기원이 접합부에서의 열연속성으로 인한 것임을 규명하는 것.
• 직렬 구성에서의 열전기적 호환성을 평가하기 위해 등가 직렬 성능 지표를 유도하는 것.
• 직렬 구성과 병렬 구성 간의 비교를 통해 강한 열전기적 대칭성을 규명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직렬로 연결된 두 개의 TEGs 간의 접합 온도 변화가 등가 직렬 저항에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 직렬 모델에서 나타나는 놀라운 저항 항목의 물리적 기원과 그 중요성은 무엇인가?
• RQ3 열전기적 호환성을 평가하기 위해 직렬 연결 TEG 시스템에 대해 등가 성능 지표를 어떻게 정의할 수 있는가?
• RQ4 열전기 발전기 시스템에서 직렬 및 병렬 구성 간의 대칭성은 무엇인가?

주요 결과

• 전류에 따라 변화하는 접합 온도로 인해 등가 직렬 저항에 놀라운 저항 항목이 나타나며, 이는 접합부에서의 열연속성에 기인한 물리적 기원을 가진다.
• 유도된 등가 직렬 성능 지표를 통해 직렬로 연결된 TEGs의 열전기적 호환성을 체계적으로 평가할 수 있다.
• 모델은 직렬 및 병렬 구성 간의 강한 열전기적 대칭성을 규명하여, 동일한 설계 원칙이 적용될 수 있음을 시사한다.
• 온도에 의존하는 저항 항목은 열 흐름이 접합부를 통해 물리적으로 연속적으로 흐름에 따라 직접적으로 기인하므로 무시할 수 없다.