热电制冷技术由于快速响应和精准控温的特点，作为一种局部冷却手段在电子器件和光电器件等的冷却中具有显著的应用优势，并有望用于人体热管理等新兴领域中。衡量热电制冷性能的三大性能指标包括最大温差、最大制冷量和最高能效（COP），当前教科书中给出了理想热环境中热电制冷器件的性能指标理论表达式：
热电制冷器件出厂报告中给出的同样是近似理想热环境中的名义性能。然而在实际应用中，热电制冷器件需要通过布置在冷热端的换热设备实现与热源和热沉的热量传递，由于传热手段的多样性以及成本、空间等方面的约束，热电制冷器件冷热端存在不同程度的外部热阻。外部热阻改变了器件的工作特性，为了在热源和热沉之间建立一定的制冷温差，需要在热电制冷器件的冷热端建立更大的温差, 且该温差的数值随热阻分布情况和电流发生变化（见下图），导致器件性能的理论表达式无法直接用于实际热电制冷系统的性能评价和优化设计。 鉴于热电制冷技术在电子信息产业尤其是光通信等领域的重要性，有必要对热电制冷系统建立完整的理论模型，并给出系统真实性能的直接理论表达式。尽管数值模拟方法可以通过复杂的计算过程给出一个热电制冷系统的实际性能数据，但是无法直观描述系统内部多种参数之间的相互耦合及其对系统性能的影响。而一套完整的系统性能理论表达式则可以提供系统内部清晰的物理图像，并直接指导系统的优化设计，因此在过去三十年中众多研究人员在系统性能理论分析方面进行了有益的尝试。然而，已有全理论模型的适用范围均比较窄，仅能用于外部热阻很小的情况，而半理论模型虽然适用范围较广，但是仍然需要数值计算的辅助，因此无法实现理论分析的全透明化。为了得到适用范围广的热电制冷系统性能理论表达式，南方科技大学刘玮书教授团队基于热电单元传热微分方程和描述实际界面热传递过程的第三类热边界条件，通过引入外部无量纲热阻参数并进行精细的代数取舍和验证，推导出了热电制冷系统三大性能指标以及相应的最佳工作电流的显式近似理论表达式，据此可对热电制冷系统在相当广的外部热阻分布范围内进行精确的性能评价，最大误差不超过5%：可以看到，所提出的系统性能理论表达式与理想热环境中器件性能理论表达式存在高度的相似性，并且当外部热阻减小至0时，系统层面的理论表达式完全退化为器件层面的相应表达式，与经典理论结果之间存在良好的继承性。在以上理论框架的基础上，进一步考虑了热电制冷系统设计中存在的若干关键问题，包括一定外部热阻和制冷温差下制冷量的最大化、一定制冷温差和制冷量下能效的最大化以及冷热端外部热阻的最佳分配等问题，并以近似理论解的方式分别给出了关键参数的设计原则。最后，基于对上述关键问题的讨论，提出了一套面向实际应用需求的热电制冷系统通用设计策略，设计过程的每一步都有相应的显式理论关系式作为支撑，使系统设计摆脱了对数值模拟的依赖。这项工作有望为热电制冷系统的性能评价和优化设计提供一条标准化的理论路径，并充分挖掘高性能热电材料在制冷领域的应用价值。该工作以“A general White-Box strategy for designing thermoelectric cooling system”为标题在InfoMat在线发表（DOI: 10.1002/inf2.12324）。这里摘取文章里的部分内容进行重点介绍：1.外部热阻对系统最大制冷量的影响及理论模型预测精度2.外部热阻对系统最大制冷温差的影响及理论模型预测精度3.外部热阻对系统最高能效的影响及理论模型预测精度从以上数据可以看到，在0.1~10的冷热端无量纲热阻参数范围内，所提出的系统性能理论表达式都可以准确预测实际热电制冷系统的最大制冷量、制冷温差以及能效，而上述热阻范围已经可以完全覆盖实际应用中可能出现的外部热阻分布情况。4.热电制冷系统通用设计策略将整个系统设计流程分为三个部分，第一部分在一定的约束条件下进行系统传热优化设计，确定热电器件冷热端的外部换热系数及部分无量纲特征参数；第二部分完成热电器件的结构设计，确定最佳L*参数，该参数为器件单元高度与填充率的比值，同时评估系统在给定制冷需求下的最高能效；第三部分确定满足制冷需求同时实现最佳能效的工作电流。整个设计流程中的每一步都有相应的理论关系式（见正文）作为支撑，实现了热电制冷系统的全透明设计。
通讯作者简介
本文通讯作者为南方科技大学刘玮书教授，目前主要从事新型室温热电材料与器件、离子热电材料、离子-电子热电融合材料与器件等方面的研究，已发表论文110余篇。第一作者朱康博士为刘玮书教授团队高级研究学者，目前主要从事热电能量转换（发电/制冷）系统的性能评价与优化设计、太阳能热电系统、离子热电材料等方面的研究，已发表论文30余篇。
A general White–Box strategy for designing thermoelectric cooling system
Kang Zhu, Biao Deng, Xin Qian, Yupeng Wang, Huan Li, Peng Jiang, Ronggui Yang, Weishu Liu*
DOI: 10.1002/inf2.12324
Citation: InfoMat, 2022, e12324
《信息材料》（InfoMat）创刊于2019年，由电子科技大学和Wiley出版集团共同主办，是聚焦信息技术与材料、物理、能源以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究的国产英文学术期刊，创刊主编为李言荣院士。
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