基于熱超構(gòu)材料的能量收集與熱電轉(zhuǎn)換特性*

李一鳴 王鑫? 李昊 杜憲 孫鵬

1) (內(nèi)蒙古大學(xué)電子信息工程學(xué)院,呼和浩特 010021)

2) (內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院,呼和浩特 010070)

針對溫差發(fā)電器的局限性,利用熱超構(gòu)材料的熱場調(diào)控特性,提出了將溫差發(fā)電器與二維扇形熱超構(gòu)材料能量收集結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成,從而改善溫差發(fā)電器的熱電轉(zhuǎn)換效率.基于有限元多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics 研究了不同材料對能量收集結(jié)構(gòu)熱場調(diào)控性能的影響,確定材料后對其進(jìn)行熱電性能仿真,仿真結(jié)果表明,能量收集結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)熱流的有效調(diào)控,在同一仿真條件下能量收集中心的溫度梯度相比自然材料提高了8 倍.對不同尺寸溫差發(fā)電器發(fā)電量進(jìn)行研究,在此基礎(chǔ)上綜合考慮加工精度和測試難度,完成了能量收集結(jié)構(gòu)3 維建模及加工制造.搭建實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng),使用熱成像儀觀測能量收集結(jié)構(gòu)的溫度分布,測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該能量收集結(jié)構(gòu)可以有效調(diào)控?zé)釄?在相同冷熱源條件下相比自然材料結(jié)構(gòu)可以將溫差發(fā)電器的工作效率提高3.2 倍,對推動(dòng)溫差發(fā)電技術(shù)更加迅速地發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.

1 引言

溫差發(fā)電器誕生于20 世紀(jì)40 年代,是基于塞貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置,它具有結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動(dòng)部件、轉(zhuǎn)換過程穩(wěn)定、輸出能量連續(xù)、幅度變化緩慢、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[1].依托熱電材料和器件的飛速發(fā)展,溫差發(fā)電技術(shù)越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注[2].在熱電材料領(lǐng)域通過量子限制、調(diào)制摻雜、能帶收斂及共振態(tài)工程或引入各種晶格缺陷作為聲子散射中心等使得無量綱熱電優(yōu)值(ZT)大大提高[3-12].2021 年,南京工業(yè)大學(xué)Yin等[13]通過將CuBiSe2引入到熱電材料(GeTe)中協(xié)同優(yōu)化熱電輸運(yùn)性能,在723 K時(shí)獲得了2.2 的高熱電優(yōu)值.同時(shí),熱電器件轉(zhuǎn)換效率連續(xù)刷新紀(jì)錄,單級組件高達(dá)9%,分段級聯(lián)組件更高達(dá)12%[14-17].2020 年,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的Chu等[18]在電極和熱電材料之間引入鈮(Nb)作為阻擋層,實(shí)現(xiàn)了電極界面的優(yōu)化,制作了8 對skutterudite (SKD)組件,在872 K 的熱端溫度下,將單級組件的轉(zhuǎn)換效率提高至10.2%.

盡管當(dāng)前溫差發(fā)電器的熱電轉(zhuǎn)換效率相比其誕生時(shí)的2%有了很大提升[19],但是仍然存在熱能收集效率低、散失快、轉(zhuǎn)換效率低等問題,而在熱能的收集利用過程中無法避免的是熱能的損失,且這一部分占據(jù)的比重很大,因此,若能提高熱能的收集效率,則其利用效率也可以得到顯著的提高.提高能量收集與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵在于將能量收集裝置與能量來源進(jìn)行良好匹配,通常的做法是選擇合適的轉(zhuǎn)化媒質(zhì).然而,自然界中傳統(tǒng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)通常是相對均一的,且具有各向同性的特性,導(dǎo)致其在熱能的收集方面受到了制約.

超材料作為一種新型的人工材料,可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行空間上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)自然材料所不具備的超常物理性質(zhì),體現(xiàn)在熱學(xué)方面即可以調(diào)控?zé)崃鬟M(jìn)而調(diào)控?zé)釄?通過熱流的集中與溫度梯度的提高,實(shí)現(xiàn)熱場的精準(zhǔn)調(diào)控與熱能的高效收集.因此,采用具備超常物理性質(zhì)的超材料取代自然材料用于設(shè)計(jì)新的能量轉(zhuǎn)換媒介,可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的能量收集性能.與聲、光的波動(dòng)行為不同,熱傳導(dǎo)滿足的是擴(kuò)散方程,擴(kuò)散方程和波動(dòng)方程的物理機(jī)制迥異,因此,以擴(kuò)散方程為主導(dǎo)的熱學(xué)超材料的研究發(fā)展較晚.

然而,自從變換光學(xué)、坐標(biāo)變換與有效媒質(zhì)等應(yīng)用于擴(kuò)散場的熱學(xué)超材料之后,熱學(xué)超材料有了迅猛的發(fā)展[20].2008 年,熱隱身斗篷理論(thermal cloak)首次問世[21].因熱超構(gòu)材料給熱電操控提供了前所未有的自由度,2010 年,Li等[22]把熱與電復(fù)合起來,熱電雙功能隱身斗篷相繼提出.其后,有大量的相關(guān)工作陸續(xù)被報(bào)道,從二維熱隱身、三維薄層熱隱身斗篷到二維熱流反轉(zhuǎn)、二維熱流集中、多功能隱身斗篷、熱場和電場調(diào)控等都在理論、仿真和實(shí)驗(yàn)上得到了驗(yàn)證[21,23-31],同時(shí)熱超構(gòu)材料的誕生使得許多新奇的熱學(xué)現(xiàn)象成為可能,熱幻像、無能量恒溫器甚至負(fù)能量恒溫器也逐漸成為現(xiàn)實(shí)[32-34],在很多領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景,具備戰(zhàn)略性重大突破的可能.

對于熱聚集器而言,目前主流的結(jié)構(gòu)有二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu).2015 年,新加坡國立大學(xué)的仇成偉教授研究組[35]提出了熱場調(diào)控與熱能收集的三維超材料模型;2017 年,Liu等[36]提出了基于三維花狀超材料的熱場調(diào)控與熱能收集器,但是由于三維能量收集結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性,需要采用較高精度的微納加工技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)制備,且實(shí)驗(yàn)測試相對困難,因此三維熱學(xué)超材料基本上還處于理論驗(yàn)證與仿真探索的階段,短時(shí)間內(nèi)難以將其進(jìn)行推廣和應(yīng)用.2015 年,新加坡國立大學(xué)的Han等[37]使用Cu和PDMS 構(gòu)成的扇形單元熱學(xué)超材料獲得了對熱流位置的精確控制,可以實(shí)現(xiàn)熱流聚焦、均勻加熱、熱收集等功能.相比三維結(jié)構(gòu),二維熱學(xué)超材料結(jié)構(gòu)因結(jié)構(gòu)多樣、相對簡單且無尺寸效應(yīng),可以使用3D 打印或機(jī)械加工的方法進(jìn)行制造,降低了加工與設(shè)計(jì)的難度;平面結(jié)構(gòu)可以直接利用紅外熱成像儀評估其熱學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于熱能收集、熱二極管、熱場與電場的多物理場調(diào)控等[38].

綜上所述,針對目前溫差發(fā)電器的局限性,結(jié)合熱超構(gòu)材料的熱能收集特性,本文提出將基于熱超構(gòu)材料的能量收集結(jié)構(gòu)與溫差發(fā)電器進(jìn)行集成,實(shí)現(xiàn)熱能的高效收集與轉(zhuǎn)換.首先,為取代自然材料,實(shí)現(xiàn)熱場的精準(zhǔn)調(diào)控與熱能的高效收集,基于COMSOL Multiphysics 仿真軟件對二維扇形能量收集結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、優(yōu)化.其次,通過仿真驗(yàn)證了能量收集結(jié)構(gòu)的熱、電性能.在此基礎(chǔ)上完成了該結(jié)構(gòu)的加工制備,最終搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以溫差發(fā)電器發(fā)電量為指標(biāo)對能量收集結(jié)構(gòu)和自然材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn),測試結(jié)果表明能量收集結(jié)構(gòu)可以有效提高溫差發(fā)電器發(fā)電量,突破自然材料的局限性,改善溫差發(fā)電器工作效率.

2 基于熱超構(gòu)材料的熱場調(diào)控與熱能收集特性

2.1 能量收集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱超構(gòu)材料能量收集結(jié)構(gòu)如圖1 所示,整個(gè)能量收集結(jié)構(gòu)由3 部分組成,分別是基底(灰色)、能量收集中心(黃色)以及由若干高導(dǎo)熱系數(shù)(紅色)和低導(dǎo)熱系數(shù)材料(藍(lán)色)的小扇形交替排布組成的扇形區(qū)域.為了實(shí)現(xiàn)能量收集結(jié)構(gòu)與溫差發(fā)電片的有效集成,將能量收集中心設(shè)計(jì)為矩形結(jié)構(gòu).

圖1 二維扇形能量收集結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic of the fan-shaped energy harvesting structure.

本文將依托COMSOL Multiphysics 仿真軟件中的固體傳熱模塊、電流模塊以及熱電效應(yīng)多物理場接口,進(jìn)行熱學(xué)超構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及熱電性能仿真.傳熱過程采用熱傳導(dǎo)方程(1)進(jìn)行模擬計(jì)算:

達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的熱傳導(dǎo)方程為

傳導(dǎo)熱通量q以及熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電流密度J分別表示為

其 中ρ表示質(zhì)量密度,C表示熱容,T表示溫度,k表示熱導(dǎo)率,Q表示熱源.P表示帕爾貼系數(shù),S表示是塞貝克系數(shù),V表示電位.

為進(jìn)行仿真模擬,首先對熱學(xué)仿真條件進(jìn)行設(shè)置,選擇平板熱源,溫度為370 K,熱沉溫度為270 K,溫度梯度為垂直方向,并將左右邊界設(shè)置為熱絕緣,熱流線設(shè)置為均勻密度.同時(shí)設(shè)定電流模塊及熱電效應(yīng)接口相關(guān)參數(shù),選擇矩形能量收集中心為作用域并將初始電勢設(shè)置為零,對矩形能量收集中心最下端做接地處理.

2.2 能量收集結(jié)構(gòu)的材料選擇

能量收集結(jié)構(gòu)能夠?qū)崃鬟M(jìn)行有效調(diào)控,其關(guān)鍵在于將具有不同導(dǎo)熱系數(shù)材料進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)了空間導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性.不同材料的契合程度和加工精度對聚熱效果有較大的影響,因此擬選擇加工精度高、具有一體化成型優(yōu)點(diǎn)的3D 打印技術(shù)對能量收集結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工.

樹脂、鋁合金和不銹鋼是3D 打印技術(shù)中比較常見的材料.耐高溫樹脂9500 是堅(jiān)固、耐高溫零件的首選材料,并且可以方便快捷地進(jìn)行高精度的3D 打印加工.耐高溫樹脂9500 能夠提供類似于工程塑料(ABS 和PBT)的熱學(xué)性能,并且克服了ABS 材料在3D 打印過程中出現(xiàn)易翹曲、易變形、精度不足等問題[39,40].在1.81 MPa 壓強(qiáng)條件下,其熱變形溫度為119 ℃,以其優(yōu)良的高耐熱性,優(yōu)秀的細(xì)節(jié)分辨率和剛度,成為各種應(yīng)用包括模具、風(fēng)洞試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、電外殼和汽車殼體的理想材料.

鋁合金(AlSi10Mg)是一種典型的鑄造合金,具有良好的鑄造性能,可用于薄壁和復(fù)雜幾何設(shè)計(jì)的3D 打印或精密機(jī)械加工.該種合金包含了硅和鎂,使得強(qiáng)度和硬度相對于純鋁顯著增強(qiáng),兼具良好的熱學(xué)性能和動(dòng)態(tài)特性、較低的成本及加工難度,廣泛的應(yīng)用于散熱器部件的制造[41].樹脂和鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.2 W/(m·K)和155 W/(m·K),相差3 個(gè)數(shù)量級.將樹脂與鋁合金交替排布,并對其熱流調(diào)控特性進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖2 所示.當(dāng)熱流流經(jīng)鋁合金(A 標(biāo)記)與樹脂(B 標(biāo)記)間隔分布的矩形區(qū)域時(shí)熱流只從鋁合金部分流過,因此鋁合金與樹脂的組合可以實(shí)現(xiàn)熱流的調(diào)控.

圖2 鋁合金與樹脂交替排布實(shí)現(xiàn)熱流調(diào)控Fig.2.Control of the heat flow by alternately arranging the AlSi10Mg and resin.

能量收集結(jié)構(gòu)的基底需與冷熱源直接接觸,承擔(dān)熱流傳遞的任務(wù),對能量收集結(jié)構(gòu)熱場調(diào)控性能具有較大的影響,因此對基底材料的熱傳導(dǎo)能力有一定的要求.如果使用樹脂材料作為基底,即使實(shí)現(xiàn)了熱流的調(diào)控,但是因樹脂導(dǎo)熱性能不佳,在矩形能量收集區(qū)域難以形成較大的溫差,無法改善熱電器件的工作效率.與鋁合金相比,不銹鋼材料的導(dǎo)熱能力較弱.在不銹鋼基底中熱流從熱源出發(fā)后更多地經(jīng)過扇形區(qū)域,而不是直接沿著能量收集結(jié)構(gòu)的兩側(cè)邊界流入熱沉,進(jìn)而流入矩形能量收集中心的熱流相比鋁合金基底更多.同時(shí),流入矩形能量收集中心的熱流流出該區(qū)域的速度也更慢.綜上所述,在不銹鋼基底中可以更好地實(shí)現(xiàn)熱流匯集,因此在能量收集中心可以獲得更高的溫度梯度.

本文以矩形能量收集中心的溫度梯度為指標(biāo)通過熱學(xué)仿真研究了分別以鋁合金和不銹鋼作為基底的兩種能量收集結(jié)構(gòu)的熱場調(diào)控性能.首先對二維能量收集結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步建模,如圖1 所示.其中,扇形區(qū)域內(nèi)紅色及藍(lán)色的小扇形分別選用鋁合金及耐高溫樹脂材料,灰色部分即為基底.采用不同基底材料時(shí),能量收集結(jié)構(gòu)的溫度梯度仿真結(jié)果如圖3 所示,由此可見,采用不銹鋼基底時(shí)矩形能量收集中心的溫度梯度為鋁合金基底的2.89 倍.

圖3 采用不銹鋼基底與鋁合金基底的能量收集結(jié)構(gòu)溫度梯度圖Fig.3.Temperature gradients of energy harvesting structures respectively using stainless steel or AlSi10Mg substrate.

綜上所述,在扇形區(qū)域,低導(dǎo)熱系數(shù)材料選擇導(dǎo)熱系數(shù)為0.2 W/(m·K)的耐高溫樹脂9500,選擇導(dǎo)熱系數(shù)為155 W/(m·K)的鋁合金(AISi10Mg)作為高導(dǎo)熱系數(shù)材料,通過耐高溫樹脂和鋁合金的交替排布實(shí)現(xiàn)空間導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性,同時(shí)選擇304 不銹鋼作為基底材料.

2.3 能量收集結(jié)構(gòu)的熱、電性能仿真

2.3.1 能量收集結(jié)構(gòu)的熱學(xué)性能仿真

單一不銹鋼結(jié)構(gòu)的溫度與熱流分布的仿真結(jié)果如圖4(a)所示,黑色箭頭流線代表熱流線.仿真結(jié)果表明,單一不銹鋼結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)熱系數(shù)的各向同性,熱流保持均勻分布沿同一方向從熱源流入熱沉,因此單一不銹鋼結(jié)構(gòu)的溫度分布均勻,矩形能量收集中心上端溫度為322 K,下端溫度為317 K,溫差僅有5 K.

圖4 單一不銹鋼結(jié)構(gòu)與能量收集結(jié)構(gòu)的溫度分布與熱流分布圖 (a) 單一不銹鋼結(jié)構(gòu);(b) 能量收集結(jié)構(gòu)Fig.4.Temperature and heat flow distribution of single stainless steel structure and energy harvesting structure: (a) Stainless steel structure;(b) energy harvesting structure.

熱超構(gòu)材料能量收集結(jié)構(gòu)的溫度與熱流分布的仿真結(jié)果如圖4(b)所示.熱流從熱源流出,在流經(jīng)扇形區(qū)域前保持均勻分布,靠近扇形區(qū)域后熱流方向變?yōu)閺较?沿著高導(dǎo)熱系數(shù)的鋁合金小扇形流入矩形能量收集中心并在此形成匯集后又沿著扇形區(qū)域的徑向從高導(dǎo)熱系數(shù)的鋁合金流出,最終在基底處恢復(fù)均勻分布后流入熱沉.觀察溫度分布圖可以看出,由于等溫線向矩形能量收集中心發(fā)生了彎曲,因此同一水平高度上矩形能量收集中心附近顏色明顯加深,代表了溫度的升高.仿真結(jié)果顯示,矩形能量收集中心上端溫度為340 K,下端溫度為300 K,溫差達(dá)到40 K,較單一不銹鋼結(jié)構(gòu)溫差提高了8 倍.

2.3.2 能量收集結(jié)構(gòu)的熱電效應(yīng)仿真

為更加直觀研究能量收集結(jié)構(gòu)對溫差發(fā)電器工作效率的影響,在相同仿真條件設(shè)置下本文進(jìn)行了多物理場耦合熱電效應(yīng)仿真.在單一不銹鋼結(jié)構(gòu)和熱超構(gòu)材料能量收集結(jié)構(gòu)的矩形中心均放置一塊常見熱電材料碲化鉍(Bi2Te3)以模擬溫差發(fā)電器件,模擬所用到的基本參數(shù)有恒壓熱容、密度、相對介電常數(shù)、塞貝克系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)及電導(dǎo)率,其中,后3 個(gè)均為溫度的函數(shù).在模擬溫度范圍內(nèi)(270—370 K),碲化鉍材料的基本參數(shù)取值范圍如表1 所示.

表1 Be2Te3 材料的基本參數(shù)Table 1.Basic parameters of Be2Te3 material.

圖5 顯示了能量收集結(jié)構(gòu)對溫差發(fā)電器工作效率的影響.圖5(a)表明,在單一不銹鋼結(jié)構(gòu)中,該溫差發(fā)電器產(chǎn)生的電勢為0.92 mV.同時(shí)從圖5(b)可以看出,溫差發(fā)電器放置在能量收集結(jié)構(gòu)中后,其產(chǎn)生電勢約為7.2 mV.因此在相同的冷熱源仿真條件下,能量收集結(jié)構(gòu)可以將溫差發(fā)電器的工作效率提高約為8 倍,這與前文中矩形能量收集區(qū)域溫度梯度提高8 倍的仿真結(jié)果相符.

圖5 溫差發(fā)電器件放置于單一不銹鋼或能量收集結(jié)構(gòu)的電勢量 (a) 單一不銹鋼結(jié)構(gòu);(b) 能量收集結(jié)構(gòu)Fig.5.The power generation of thermoelectric generators placed in a single stainless steel or energy harvesting structure: (a) Stainless steel structure;(b) energy harvesting structure.

以能量收集結(jié)構(gòu)為例,研究了放置溫差發(fā)電器后對熱流分布的影響.放置溫差發(fā)電器后能量收集結(jié)構(gòu)溫度與熱流分布如圖6(b)所示,從定性分析的角度來看,熱流在能量收集結(jié)構(gòu)中的分布并無明顯改變.從定量分析的角度來看,矩形能量收集中心上下兩端溫度分別為338 和299 K,溫差為39 K,與未放置溫差發(fā)電器時(shí)的情況基本相同.因此放置溫差發(fā)電器對能量收集結(jié)構(gòu)的熱場調(diào)控性能沒有明顯的影響.

圖6 放置溫差發(fā)電器前后能量收集結(jié)構(gòu)溫度與熱流分布圖 (a) 放置溫差發(fā)電器;(b)未放置溫差發(fā)電器Fig.6.Temperature and heat flow distribution of the energy harvesting structure before and after placing the thermoelectric generator: (a) With thermoelectric generator;(b) without thermoelectric generator.

綜上所述,利用鋁合金與耐高溫樹脂交替分布結(jié)合不銹鋼基底構(gòu)建二維扇形能量收集結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)對平面熱場的精確調(diào)控以及能量的高效收集.矩形能量收集中心處的溫度梯度提高8 倍,將溫差發(fā)電器放置在矩形中心可以改善溫差發(fā)電器的工作效率.

3 熱超構(gòu)材料能量收集結(jié)構(gòu)的制備與性能測試

3.1 能量收集結(jié)構(gòu)的三維建模與制備

為了進(jìn)行能量收集結(jié)構(gòu)的三維建模、加工制作以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,仿真研究了溫差發(fā)電器件的幾何參數(shù)對其發(fā)電量的影響,以便選擇合適的溫差發(fā)電器件進(jìn)行集成.

圖7 所示為目前主要的消費(fèi)類溫差發(fā)電器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu),它是由大量熱電偶通過熱并聯(lián)和電串聯(lián)連接起來,并夾在兩塊高導(dǎo)熱、低導(dǎo)電的陶瓷板之間,從而形成一種三明治型模塊[42].熱電偶主要由P-N 型熱電材料以及氧化鋁組成.當(dāng)兩塊陶瓷板之間存在溫差時(shí),熱流將會(huì)沿著垂直于陶瓷板的方向傳輸,從而產(chǎn)生電能.

圖7 消費(fèi)類溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7.Schematic of common thermoelectric genetators.

同系列商用溫差發(fā)電器的厚度相同,長度和寬度尺寸組合各異,在相同的溫差條件下,因溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)原理,其發(fā)電量與長度和寬度成正比.但是不同系列溫差發(fā)電器的厚度不同,從3.5—8.0 mm 不等,因此本文對相同長度和寬度但厚度不同的溫差發(fā)電器進(jìn)行仿真,以研究溫差發(fā)電器厚度對其發(fā)電量的影響,仿真結(jié)果如表2 所示.

表2 不同厚度溫差發(fā)電器熱電仿真結(jié)果Table 2.Thermoelectric simulation results of thermoelectric generators with different thicknesses.

由此可見,相同長度和寬度條件下,不同厚度的溫差發(fā)電器發(fā)電量接近,厚度對溫差發(fā)電器件工作影響不大.因此從更加經(jīng)濟(jì)的角度考慮,選擇了厚度為3.5 mm 的TES1 系列中的TES1-12006(4 cm×2 cm×0.35 cm)溫差發(fā)電器件進(jìn)行能量收集結(jié)構(gòu)的建模和制備.

整個(gè)能量收集結(jié)構(gòu)由圖8 所示的3 部分裝配而成,分別采用精密機(jī)械加工和3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)不銹鋼基底及扇形結(jié)構(gòu)的加工制備,考慮裝配公差后中心留有4.1 cm×2.1 cm×0.4 cm 的開槽用以集成溫差發(fā)電器.

圖8(a)為不銹鋼基底的結(jié)構(gòu),不銹鋼基底整體尺寸為15.5 cm×12 cm×2.3 cm,為降低后續(xù)測試難度以及提高實(shí)驗(yàn)精度,基底的兩端有12 cm×1 cm×7.5 cm 的長方體凸起以確保基底與冷、熱源的充分接觸.基底中心留有開孔用來裝配扇形結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)類似于法蘭盤,上端開孔半徑5 cm,下端開孔半徑4.2 cm,下端開孔可以實(shí)現(xiàn)熱阻斷從而有助于降低從熱端直接沿著不銹鋼基底底部傳導(dǎo)到冷端的熱流,以實(shí)現(xiàn)更接近于仿真中的實(shí)驗(yàn)條件.

圖8 能量收集結(jié)構(gòu)三維模型圖 (a) 不銹鋼基底;(b) 樹脂扇形區(qū)域;(c) 鋁合金扇形區(qū)域Fig.8.3D model diagram of the energy harvesting structure:(a) Stainless steel substrate;(b) resin sectors;(c) AlSi10Mg sectors.

如果樹脂部分與鋁合金部分均為分立結(jié)構(gòu),那么后期裝配將會(huì)出現(xiàn)加工誤差累積的情況,從而產(chǎn)生較大的間隙,嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,因此耐高溫樹脂部分由18 個(gè)底部相連的小扇形組成,如圖8(b)所示,公共底部可以起到均勻誤差并降低加工、裝配難度的作用,實(shí)現(xiàn)能量收集結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)裝配.圖8(c)為扇形結(jié)構(gòu)中的鋁合金部分,由18 塊半徑為5 cm,厚度2 cm 的分立小扇形組成,可以與樹脂部分相契合組成扇形結(jié)構(gòu)并與基底進(jìn)行裝配得到能量收集結(jié)構(gòu),集成溫差發(fā)電器后的能量收集結(jié)構(gòu)如圖9 所示.

圖9 集成溫差發(fā)電器的能量收集結(jié)構(gòu)裝配模型圖Fig.9.Model diagram of the energy harvesting structure with the thermoelectric generator.

3.2 能量收集結(jié)構(gòu)的性能測試與結(jié)果分析

實(shí)現(xiàn)能量收集結(jié)構(gòu)與溫差發(fā)電片集成后,為提高實(shí)驗(yàn)精度,在能量收集結(jié)構(gòu)的契合處涂抹少量導(dǎo)熱硅脂.整個(gè)測試系統(tǒng)如圖10 所示,在室溫25 ℃條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),能量收集結(jié)構(gòu)左右兩端凸起分別與冰水混合物和通過電磁加熱裝置持續(xù)加熱的沸水充分接觸以模擬熱源與熱沉條件.采用萬用表對溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電壓和電流進(jìn)行測量,并使用?？低旽13 專業(yè)版紅外熱成像儀對能量收集結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝,研究能量收集結(jié)構(gòu)表面的溫度分布以刻畫能量收集結(jié)構(gòu)的熱場調(diào)控性能.

圖10 能量收集結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)Fig.10.Experimental test system for energy harvesting structure.

為直觀對比能量收集結(jié)構(gòu)與自然材料結(jié)構(gòu)的熱學(xué)性能差異及對溫差發(fā)電片發(fā)電量不同影響,在相同的實(shí)驗(yàn)條件借助單一不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置了對照組實(shí)驗(yàn),如圖11 所示.

圖11 單一不銹鋼結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)Fig.11.Experimental test system for single stainless steel structure.

在相同測試條件下分別對能量收集結(jié)構(gòu)和單一不銹鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行三組測試,采用固定功率的加熱裝置對實(shí)驗(yàn)裝置充分加熱1 h 以模擬熱流傳導(dǎo)的過程,實(shí)驗(yàn)過程中定期使用沸水補(bǔ)充水位,使用萬用表記錄實(shí)驗(yàn)過程中的最大發(fā)電量及加熱結(jié)束后時(shí)的發(fā)電量,并使用紅外熱成像儀對結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行拍攝,分析此時(shí)能量收集結(jié)構(gòu)的溫度分布.

能量收集結(jié)構(gòu)和單一不銹鋼結(jié)構(gòu)表面溫度分布情況如圖12 所示.圖中紅色十字箭頭代表最高溫度出現(xiàn)的位置.由圖12(b)可知,單一不銹鋼結(jié)構(gòu)表面最高溫出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)最上端,溫度從結(jié)構(gòu)上端到下端保持均勻分布.然而在能量收集結(jié)構(gòu)表面,扇形區(qū)域內(nèi)鋁合金的溫度明顯高于結(jié)構(gòu)外部溫度,最高溫出現(xiàn)在扇形鋁合金上,溫差發(fā)電片上端溫度高于單一不銹鋼結(jié)構(gòu),說明能量收集結(jié)構(gòu)有效地實(shí)現(xiàn)了熱流調(diào)控,達(dá)到熱聚集的效果.實(shí)驗(yàn)過程中對兩結(jié)構(gòu)溫差發(fā)電片發(fā)電量進(jìn)行持續(xù)測試,數(shù)據(jù)如表3 和表4 所示.

表3 能量收集結(jié)構(gòu)中溫差發(fā)電片發(fā)電量Table 3.Power generation of the thermoelectric generator placed in the energy harvesting structure.

表4 單一不銹鋼結(jié)構(gòu)中溫差發(fā)電片發(fā)電量Table 4.Power generation of the thermoelectric generator placed in the single stainless steel structure.

圖12 紅外熱成像儀測試結(jié)果圖 (a) 能量收集結(jié)構(gòu);(b) 單一不銹鋼結(jié)構(gòu)Fig.12.Test results by the infrared thermal imager: (a) Energy harvesting structure;(b) stainless steel structure.

在能量收集結(jié)構(gòu)中,溫差發(fā)電片的平均最大發(fā)電量為9.5 mW,是單一不銹鋼結(jié)構(gòu)中溫差發(fā)電片1.8 倍.隨著熱傳導(dǎo)的不斷持續(xù),兩結(jié)構(gòu)中溫差發(fā)電片上下兩端溫差均隨之降低,導(dǎo)致發(fā)電片發(fā)電量相應(yīng)下降.單一不銹鋼結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)熱系數(shù)的各向同性特點(diǎn),因此導(dǎo)致從熱源到熱沉溫度呈現(xiàn)均勻分布,熱流傳導(dǎo)慢且難以聚集,最終矩形能量收集中心上端溫度穩(wěn)定在55.2 ℃,下端溫度為48 ℃,溫差為7.2 ℃.熱超構(gòu)能量收集結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了空間導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了熱流調(diào)控與熱能聚集.加熱結(jié)束時(shí)矩形能量收集中心上端溫度為62.5 ℃,下端溫度為38.3 ℃,上下溫差為24.2 ℃,相較不銹鋼結(jié)構(gòu)提高3.4 倍.在相同實(shí)驗(yàn)條件下,采用萬用表分別對單一不銹鋼結(jié)構(gòu)和熱超構(gòu)材料能量收集結(jié)構(gòu)中溫差發(fā)電片的電壓和電流進(jìn)行測量,相比單一不銹鋼結(jié)構(gòu),超構(gòu)材料能量收集結(jié)構(gòu)可有效提高溫差發(fā)電片的發(fā)電量,發(fā)電量的平均值提高3.2 倍.

4 結(jié)論

目前溫差發(fā)電器件受工作效率的限制難以得到廣泛的應(yīng)用.本文提出了一種將溫差發(fā)電器件與二維熱超構(gòu)材料能量收集結(jié)構(gòu)集成以改善溫差發(fā)電器工作效率的方法.在能量收集結(jié)構(gòu)扇形區(qū)域采用鋁合金與樹脂的交替排布實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)熱系數(shù)的更向異性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了熱場的調(diào)控與熱流的聚集.通過高精度3D 打印技術(shù)和精密機(jī)械加工對能量收集結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工制備.

采用COMSOL Multiphysics 仿真軟件對能量收集結(jié)構(gòu)的熱學(xué)性能進(jìn)行仿真,并利用紅外熱成像儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證得出該熱超構(gòu)能量收集結(jié)構(gòu)可以有效調(diào)控?zé)釄?實(shí)現(xiàn)熱流集中,在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下相比自然材料結(jié)構(gòu)可以將熱電轉(zhuǎn)換效率提高3.2 倍.

倘若進(jìn)一步優(yōu)化加工工藝、提高系統(tǒng)集成程度,并將能量收集結(jié)構(gòu)與相關(guān)能量管理電路結(jié)合,可有望實(shí)現(xiàn)對某些超低功耗應(yīng)用如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、可穿戴設(shè)備等的自主供電功能,對推動(dòng)自供電技術(shù)的發(fā)展及綠色能源利用具有一定的現(xiàn)實(shí)意義,具備較為廣闊的應(yīng)用前景.