熱開(kāi)關(guān)型復(fù)合自發(fā)式冷卻系統(tǒng)性能研究

摘要：微機(jī)電系統(tǒng)在極端溫度下熱管理需求迫切，亟需開(kāi)發(fā)低能耗、安全可靠的冷卻技術(shù)?；诖?，本文結(jié)合熱電自發(fā)式散熱與相變技術(shù)提出了一種熱開(kāi)關(guān)型復(fù)合自發(fā)式冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可變功率被動(dòng)冷卻需求。首先，構(gòu)建了變功率需求下熱開(kāi)關(guān)型自發(fā)式冷卻系統(tǒng)模型，并分析系統(tǒng)冷卻性能;其次，分析了熱開(kāi)關(guān)溫度差、相變溫度、厚度等關(guān)鍵因素對(duì)系統(tǒng)冷卻影響，探究了熱源溫度與電壓等評(píng)價(jià)指標(biāo);最后，分析系統(tǒng)的自供電潛力。研究結(jié)果表明，系統(tǒng)的最佳相變溫度為337.15K，最佳相變厚度為 2mm ，此時(shí)系統(tǒng)熱源溫度峰值為361.55K，產(chǎn)能0.542J，較 5mm 產(chǎn)能提升 40.41% ，具有更大的自供電潛力。本研究有望進(jìn)一步提高熱開(kāi)關(guān)型溫差發(fā)電系統(tǒng)的自供電潛力并延長(zhǎng)其使用壽命。

隨著微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical sys-tem，MEMS）的集成度越來(lái)越高，相關(guān)電子設(shè)備的熱功耗和熱密度急劇增加帶來(lái)了熱管理難題，而溫度對(duì)微機(jī)電設(shè)備的工作性能影響非常大，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響MEMS的正常工作[2]。因此，研究更低能耗的MEMS冷卻和保溫技術(shù)具有重要意義。

冷卻技術(shù)在熱管理中扮演關(guān)鍵角色，目前的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)主要分為空氣冷卻、液體冷卻、相變冷卻以及熱電冷卻4大類。而熱電冷卻又分主動(dòng)式與自發(fā)式[3]，熱電主動(dòng)式冷卻技術(shù)是利用珀?duì)栙N效應(yīng)，在外界對(duì)半導(dǎo)體制冷器（thermoelectriccooler，TEC）施加電流的情況下，根據(jù)電流的極性對(duì)設(shè)備進(jìn)行冷卻或加熱，具有體積小，重量輕的優(yōu)點(diǎn)[4-5]，但需要依賴外部電源，可靠性不高[6]，將設(shè)備和環(huán)境中的可再生能源獲取利用，作為冷卻設(shè)備的新型電源，是突破器件熱管理技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)。而熱電自發(fā)式冷卻技術(shù)則是利用塞貝克效應(yīng)將設(shè)備的熱能轉(zhuǎn)化為電能，從而在不借助外部電能的條件下驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻。系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)是熱電發(fā)電片（thermoelectricgenerator，TEG）與冷卻裝置，達(dá)到節(jié)能以及冷卻發(fā)熱設(shè)備的目的。YAZAWA等于

2005年提出將溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電量用于電子設(shè)備主動(dòng)散熱的概念。他們將熱源、溫差發(fā)電片、風(fēng)扇、熱沉組合在一起，探究溫差發(fā)電片輸出的功率以及熱源與發(fā)電片結(jié)點(diǎn)處溫度隨熱源處熱流密度的關(guān)系。

近年來(lái)，相變材料（phasechangematerial，PCM）因其高潛熱和在相變過(guò)程中保持恒定溫度的能力而被廣泛用于電子設(shè)備的熱管理。WANG等對(duì)電子器件不直接接觸的新型HS-PCM模塊進(jìn)行了數(shù)值模擬，討論了銅棒數(shù)、銅板高度和相變材料性能等因素對(duì)電子器件溫度的影響。MANIKANDAN等[9]通過(guò)與 PCM 集成來(lái)增強(qiáng) TEC 的熱性能。PCM集成在TEC的熱側(cè)，以保持恒定和相對(duì)較低的溫度。蔡陽(yáng)等[10]、HUANG等[1]對(duì)一種基于相變型環(huán)形熱電技術(shù)的環(huán)境溫差采集裝置進(jìn)行翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，在正弦溫度變化邊界下，該裝置功率和能量效率峰值可達(dá)到 31.57μW 和 0.073% ，翅片效率可達(dá)到0.981。

然而，上述研究主要解決的是電子設(shè)備的過(guò)熱問(wèn)題，忽略了設(shè)備在低溫下的保溫，以及溫度不均勻問(wèn)題。GOU等[2]提出了一種新型的熱開(kāi)關(guān)并建立了相應(yīng)的一維熱力學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真結(jié)果均表明，該熱開(kāi)關(guān)在不穩(wěn)定熱源下對(duì)TEG系統(tǒng)溫控性能的提升具有優(yōu)異效果。MIAO等[13]提出了一種電壓驅(qū)動(dòng)的熱開(kāi)關(guān)，并將其與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的儲(chǔ)熱層相結(jié)合。WANG等[14]提出了一種小尺寸、低成本、有源可控，適用于極熱和極冷環(huán)境的熱開(kāi)關(guān)。低溫條件下熱開(kāi)關(guān)關(guān)閉用于加熱，并充許電池充分利用自身產(chǎn)生的熱量來(lái)保持溫度。同時(shí)，熱開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)能有效地傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱量，以避免過(guò)熱。熱開(kāi)關(guān)可以根據(jù)設(shè)備或環(huán)境溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高溫散熱，低溫保溫的雙重效果。目前的機(jī)械式熱開(kāi)關(guān)主要是通過(guò)接觸/分離實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)熱量的控制，長(zhǎng)期使用可能會(huì)導(dǎo)致接觸面磨損，耗電量增加；同時(shí)，有關(guān)熱開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的三維有限元分析研究較少。基于此，本文提出一種具有熱開(kāi)關(guān)策略的熱電-相變復(fù)合自發(fā)式冷卻系統(tǒng)，通過(guò)相變材料提高溫度穩(wěn)定性并利用TEG回收設(shè)備熱能，進(jìn)一步提高熱開(kāi)關(guān)溫控系統(tǒng)的性能。本文利用COMSOL6.0建立波動(dòng)熱通量邊界條件下的相變熱電耦合熱力學(xué)三維模型，探究該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。首先，觀察了系統(tǒng)在不同熱開(kāi)關(guān)溫度差條件下的動(dòng)態(tài)特性；其次，探究不同相變溫度和相變厚度對(duì)系統(tǒng)溫度變化和發(fā)電性能的影響；最后，對(duì)系統(tǒng)的自供電潛力進(jìn)行分析。

1 熱開(kāi)關(guān)型復(fù)合自發(fā)式冷卻系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)由熱電元件，翅片散熱器，相變材料構(gòu)成，如圖1所示。中間部分的熱電元件由單對(duì)PN構(gòu)成，上層的翅片散熱器與TEG的冷端接觸，翅片通過(guò)液冷方式冷卻。下層的PCM可以在熱開(kāi)關(guān)的作用下與TEG熱端的動(dòng)態(tài)接觸與分離。系統(tǒng)各部件參數(shù)如表1所示。

假設(shè)熱開(kāi)關(guān)初始為關(guān)閉狀態(tài)，即PCM與TEG不接觸。當(dāng)設(shè)備溫度較高時(shí)，PCM吸收其熱量，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)冷卻功能，PCM達(dá)到開(kāi)啟溫度 T_on 后，熱開(kāi)關(guān)進(jìn)人開(kāi)啟狀態(tài)，即PCM與TEG接觸實(shí)現(xiàn)冷卻功能。若熱開(kāi)關(guān)繼續(xù)保持開(kāi)啟狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備溫度較低時(shí)，相變材料釋放潛熱，實(shí)現(xiàn)保溫功能。當(dāng)PCM溫度下降至關(guān)閉溫度 T_off 后，熱開(kāi)關(guān)回到關(guān)閉狀態(tài)。其中，熱開(kāi)關(guān)工作所需的電能可以通過(guò)TEG吸收設(shè)備熱能轉(zhuǎn)化得到。以上即為一個(gè)周期下熱開(kāi)關(guān)控制的原理。

1. 2 邊界條件與假設(shè)

本文在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模前先作如下假設(shè)：

1）系統(tǒng)的四周絕熱性良好，除了冷端散熱外，無(wú)其他項(xiàng)環(huán)境的熱損失；2）熱開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，PCM上表面絕熱；3）忽略熱電臂內(nèi)部各材料之間的輻射熱損失和對(duì)流熱損失；4）熱電臂中不同材料的各端面接觸良好，不考慮接觸熱阻和接觸電阻的影響；5）熱電臂中P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體具有相同的物性參數(shù)；

6除塞貝克系數(shù)、湯姆遜系數(shù)、導(dǎo)電系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)等與熱電偶溫度有關(guān)外，其余物理參數(shù)均被視為常數(shù)值。

本文模擬熱開(kāi)關(guān)型熱電-相變冷卻系統(tǒng)在波動(dòng)熱源下的溫度與功率變化，在PCM下端施加正弦規(guī)律變化的熱流邊界，以模擬電子設(shè)備不穩(wěn)定的發(fā)熱量及外部環(huán)境的溫度波動(dòng)。熱流邊界表達(dá)式如式（1）：

Q_in（t）=0.02sin（0.005t）+0.02

翅片端存在水的自然對(duì)流，對(duì)流傳熱系數(shù) h_f= 300 W/（ m²?K） ，環(huán)境溫度及模型的初始溫度T₀=293.15K 號(hào)

1.3 數(shù)學(xué)模型

1.3.1 熱電-相變復(fù)合模型

本文研究熱開(kāi)關(guān)作用下熱電-相變復(fù)合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，在TEG中，其控制方程可由式（2）—（4）描述[15-16]：

J=-σ（ΔdownV+S?T）

q=PJ-k?T

式中： ρ 為材料密度， kg/m;C_p 為材料比熱，kJ/（kg?K）;q 為通過(guò)傅里葉熱傳導(dǎo)和帕帖爾熱產(chǎn)生的熱流密度， W?m^-2 ： Q 為內(nèi)部產(chǎn)熱， ：J 為電流密度， m^-2 5 T 為溫度， K;σ 為材料電導(dǎo)率;s 為塞貝克系數(shù)； P 為帕帖爾系數(shù)。

當(dāng)冷熱端存在溫差時(shí)，TEG利用半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化為電能，裝置的開(kāi)路電壓和系統(tǒng)中通過(guò)的電流可表示為[12]：

V_oc=SΔT_TE

式中： ΔT_TE 為TEG冷熱端溫差，K; V_oc 為開(kāi)路電壓， V;I 為通過(guò)TEG的電流， A 。

考慮包含相變的非穩(wěn)態(tài)傳熱。利用相變函數(shù)（α（T） ）評(píng)估PCM狀態(tài)的變化，利用顯熱容法可以確定 PCM包含潛熱的等效比熱容[15-16] 。

式中： C_p，solid 和 C_p，liquid 分別為 PCM 固相和液相的恒壓熱容， kJ/（?kg?K） 。在PCM中，當(dāng)忽略內(nèi)部產(chǎn)熱，且PCM體積很小時(shí)，可以用以下方程描述熱傳導(dǎo)：

1.3.2熱開(kāi)關(guān)溫控策略

對(duì)于PCM與TEG熱端陶瓷層的接觸面，當(dāng)熱開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)有：

當(dāng)熱開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)有：

對(duì)于翅片散熱器，冷卻條件為水的自然對(duì)流。

式中： S_alu?S_PCM 分別表示陶瓷層和PCM的接觸面，其上端和下端分別用“ + ”和“-\"加以區(qū)分。

k_alu，k_PCM，k_fin 分別為陶瓷層，PCM和翅片的導(dǎo)熱系數(shù)， W/（μm²?K） 5 A_alu?A_PCM 和 A_fin 分別為陶瓷層、PCM 的截面積和翅片換熱面積， m² 。

1.3.3性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

熱電臂產(chǎn)生的電能可由式（13）計(jì)算，當(dāng) R_L=r 時(shí)，熱電產(chǎn)能可達(dá)最大值：

熱電臂在時(shí)間 χ_t 內(nèi)的平均熱電轉(zhuǎn)換效率為

為了計(jì)算熱開(kāi)關(guān)的耗電量，記開(kāi)關(guān)次數(shù) n 為熱

開(kāi)關(guān)切換的次數(shù)，其中“開(kāi) $$ 關(guān)\"和“關(guān) $$ 開(kāi)”各記作切換1次，則熱開(kāi)關(guān)耗能為[17]

式中： l 為裝置移動(dòng)的距離， m;g 為重力加速度， m/s² ： η_motor 為熱開(kāi)關(guān)的機(jī)械效率， %：m 為裝置除去相變材料后的質(zhì)量， kg 。

2 模型驗(yàn)證與網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

2.1 模型驗(yàn)證

文中熱電-相變復(fù)合自發(fā)式冷卻系統(tǒng)主要由TEG和熱開(kāi)關(guān)組成，本節(jié)選用 GOU^[12] 和 SEL-VAM^[15] 等關(guān)于相變-熱電系統(tǒng)及熱開(kāi)關(guān)型熱電系統(tǒng)為研究基礎(chǔ)，驗(yàn)證本文模型可靠性。圖2為系統(tǒng)相變部分的溫度變化，其中， T_on=543K;T_off=523K

格進(jìn)行研究。

由圖2（a）可知，在熱源波動(dòng)的情況下，若無(wú)熱開(kāi)關(guān)控制，相變部分的溫度將會(huì)隨熱源變化而發(fā)生大幅度波動(dòng)，但文獻(xiàn)結(jié)果和模型結(jié)果相差不大，最大相對(duì)誤差為 5.61% 。由圖2（b）可知，在啟用熱開(kāi)關(guān)后，相變部分的溫度穩(wěn)定在 523～543K 之間，熱開(kāi)關(guān)的溫度控制效果良好，最大相對(duì)誤差為3.57% 。由以上的分析可知，本文所建立的熱電-相變復(fù)合冷卻系統(tǒng)的數(shù)值模擬模型是可靠的。

2.2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

為進(jìn)一步提高模型準(zhǔn)確性和數(shù)值模擬的計(jì)算效率，本節(jié)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析。分別采用網(wǎng)格數(shù)為679，1738，2539，6311，11365的網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分。圖3結(jié)果顯示，該過(guò)程下系統(tǒng)電壓變化曲線幾乎完全重合，可以認(rèn)為網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小。因此，后續(xù)將選擇網(wǎng)格數(shù)為2539的網(wǎng)

3 結(jié)果與討論

3.1 熱開(kāi)關(guān)溫度差

本節(jié)研究不同熱開(kāi)關(guān)溫度差下的系統(tǒng)特性，選用廣州中佳新材料科技有限公司型號(hào)為ZJ-PCM-

A-64H的相變材料，其熱物性參數(shù)如表1所示。其中，相變溫度 T_pc=327.15K ;相變材料厚度 H_PCM= 1mm ;熱開(kāi)關(guān)開(kāi)啟溫度 T_on=343.15K ΔT 分別為 20、15、10、5K ΔT=T_on-T_off T_off 為關(guān)閉溫度）。

圖4（a）是系統(tǒng)熱源溫度變化曲線，在熱開(kāi)關(guān)作用下，熱源溫度波動(dòng)幅度明顯減小，這表明了熱開(kāi)關(guān)溫控策略的可行性。隨著熱開(kāi)關(guān)溫度差 ΔT 的減小， T_off 降低后熱開(kāi)關(guān)的關(guān)閉狀態(tài)更容易被觸發(fā)，溫度波動(dòng)的范圍減小，溫度控制得更加精確。圖4（b）是系統(tǒng)電壓變化曲線，隨著 ΔT 減小，電壓波動(dòng)的頻率更高。電壓峰值分別為5.99、6.10、6.13，5.52mV ，其中， ΔT=5K 較 ΔT=10K 下降了 9.95% ，這是因?yàn)楫?dāng) ΔT 為 5K 時(shí)，TEG冷熱端溫差尚未達(dá)到峰值，熱開(kāi)關(guān)的狀態(tài)就發(fā)生了切換，導(dǎo)致電壓峰值明顯下降。

綜上，隨著 ΔT 的減小，系統(tǒng)溫控精確性提高，但熱開(kāi)關(guān)切換狀態(tài)的次數(shù)顯著增加，電壓峰值減小，電壓頻率增加，這除了會(huì)消耗更多電能還會(huì)導(dǎo)致熱開(kāi)關(guān)接觸面磨損，最終影響熱開(kāi)關(guān)性能。

3.2 相變溫度

本節(jié)以上一節(jié)的相變材料為基準(zhǔn)繼續(xù)研究不同相變溫度下的系統(tǒng)特性。其中，相變材料厚度H_PCM=3mm ；熱開(kāi)關(guān)開(kāi)啟溫度 T_on=343.15K ；關(guān)閉溫度 T_off=327.15K 。相變溫度 T_pc 分別為322.15（低于 T_off ）、327.15（低于 T_off ）、337.15（介于 T_on 和T_off 之間）347.15（高于 T_on ）、352.15K（高于 T_on ）。

圖5（a）是系統(tǒng)熱源溫度變化曲線，隨著相變溫度增加，熱源溫度峰值略有提高。當(dāng)相變溫度為322.15K 和352.15K時(shí)，溫度峰值分別為 374.42K 和366.01K，兩者相差不大。圖5（b）是系統(tǒng)電壓變化曲線，隨著相變溫度增加，電壓波動(dòng)的頻率先減小后增加，電壓峰值先增加后減小。當(dāng)相變溫度為 337.15K 時(shí)，電壓切換頻率最小且電壓峰值可達(dá) 6.42mV ，較相變溫度為352.15K提升了70.91% 。這是因?yàn)楫?dāng) T_pc 恰好介于 T_on 和 T_off 之間時(shí)，熱開(kāi)關(guān)無(wú)論是開(kāi)啟還是關(guān)閉，PCM始終發(fā)生相變，且PCM通過(guò)吸收或釋放潛熱減緩了熱源溫度的變化，進(jìn)而減少了熱開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換次數(shù)，提高了電壓穩(wěn)定性。

因此，應(yīng)盡量選擇相變溫度恰好介于開(kāi)啟溫度與關(guān)閉溫度的相變材料，以充分發(fā)揮相變材料的蓄熱潛力，提高系統(tǒng)發(fā)電性能的同時(shí)也減少了熱開(kāi)關(guān)因頻繁切換狀態(tài)造成的磨損。

3.3 相變厚度

本節(jié)研究不同相變厚度下的系統(tǒng)特性，繼續(xù)選用相變材料ZJ-PCM-A- ?64H 。其中，相變溫度 T_pc= 337.15K；熱開(kāi)關(guān)開(kāi)啟溫度 T_on=343.15K ；關(guān)閉溫度 T_off=327.15K 。相變厚度分別為1、2、3、4、5mm

圖6（a）是系統(tǒng)熱源溫度變化曲線，隨著相變厚度增加，熱源溫度峰值提高。當(dāng)相變厚度為 1mm 和 2mm 時(shí)，峰值分別為 349.79K 和 361.55K ，較相變厚度為 5mm 的系統(tǒng)降低 50.35K 和 38.59K 。這是因?yàn)橄嘧兒穸仍黾雍笙嘧儗訒?huì)阻礙熱源散熱，因此相變厚度不宜超過(guò) 3mm 。圖6（b）是系統(tǒng)電壓變化曲線，當(dāng)相變厚度增加時(shí)，輸出電壓更加穩(wěn)定，而電壓峰值則先增加后減小，當(dāng) H_PCM=2mm 時(shí)，電壓峰值達(dá)到 6.82mV ，較 H_PCM=1mm 和H_PCM=4mm 分別提升了 11.29% 和 65.42% 。當(dāng)相變厚度過(guò)小時(shí)，PCM相變時(shí)間減少，溫度變化更快，更容易觸發(fā)熱開(kāi)關(guān)，TEG熱端尚未有足夠時(shí)間達(dá)到更高溫度熱開(kāi)關(guān)即停止導(dǎo)熱，因此電壓峰值略有下降，且穩(wěn)定性不高。當(dāng)相變厚度過(guò)大時(shí)，邊界熱源熱量傳遞受阻，也令TEG冷熱端溫差降低，電壓峰值降低。

綜合考慮系統(tǒng)的控溫性能（熱源溫度峰值）與發(fā)電性能（電壓峰值、穩(wěn)定性）等因素，相變材料的最佳厚度為 2mm 。

3.4 結(jié)構(gòu)對(duì)比分析結(jié)果

圖7展示了一小時(shí)內(nèi)系統(tǒng)的熱開(kāi)關(guān)耗能與熱電產(chǎn)能。相變厚度增加后，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)次數(shù)顯著降低，熱開(kāi)關(guān)耗能減少，TEG產(chǎn)生的總電能也減少。

無(wú)論相變厚度取何值，TEG發(fā)電量都遠(yuǎn)大于熱開(kāi)關(guān)的耗能，因此該系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)自供電。當(dāng)相變厚度為 4mm 和 5mm 時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)關(guān)切換次數(shù)均為6次，所以熱開(kāi)關(guān)的耗能理論上也是相等的。當(dāng)相變厚度為 1mm 時(shí)，雖然熱電產(chǎn)能和熱電效率最高，但此時(shí)熱開(kāi)關(guān)耗能較多，這意味著熱開(kāi)關(guān)因?yàn)轭l繁運(yùn)行更容易出現(xiàn)磨損。由圖6、圖7結(jié)果可知，當(dāng)相變厚度為 2mm 時(shí)，熱電效率和產(chǎn)能分別為 0.74% ，0.542J，較 5mm 產(chǎn)能提升 40.41% ，因此以相變厚度 2mm 的系統(tǒng)在發(fā)電穩(wěn)定性及自供電潛力上更具優(yōu)勢(shì)。

圖8將無(wú)相變、無(wú)熱開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)與正常系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。三種系統(tǒng)在 60min 內(nèi)溫度波動(dòng)幅度分別為 32.49，32.03，64.15K ，正常組和無(wú)相變組的溫度波動(dòng)基本一致且小于無(wú)熱開(kāi)關(guān)組，可見(jiàn)熱開(kāi)關(guān)能提高熱源溫度穩(wěn)定性，對(duì)熱源有更好的保護(hù)。正常組和無(wú)相變組雖然溫度波動(dòng)均較小，但是從圖8（b）可以看出，若以“1”表示熱開(kāi)關(guān)打開(kāi)；“0”

表示熱開(kāi)關(guān)關(guān)閉，則正常組開(kāi)關(guān)狀態(tài)的波動(dòng)頻率明顯小于無(wú)相變組，這是因?yàn)橄嘧儾牧掀鸬骄彌_溫度變化的作用，相變材料的存在能減少系統(tǒng)在溫控時(shí)對(duì)熱開(kāi)關(guān)功能的依賴，間接減少了熱開(kāi)關(guān)耗能。

4結(jié)論

本文建立具有熱開(kāi)關(guān)功能的熱電-相變自冷卻系統(tǒng)模型，分析了不同熱開(kāi)關(guān)溫度差，相變溫度和相變厚度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

1）熱開(kāi)關(guān)溫度差越小，溫度控制精度越高，但熱開(kāi)關(guān)切換頻率越高，耗能更多，且電壓越不穩(wěn)定，當(dāng) ΔT=5K 時(shí)，電壓峰值達(dá)到最大值 6.13mV 。

2）系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性隨相變溫度提高先減小后增加，當(dāng)相變溫度為 337.15K ，即 T_offpcon 時(shí)，電壓切換頻率最小且電壓峰值可達(dá) 6.42mV ，較相變溫度為 352.15K 時(shí)提升了 70.91% 。

3）隨著相變厚度增加，熱源溫度峰值和電壓穩(wěn)定性提高，而電壓峰值則先增加后減小。當(dāng)H_PCM=2mm 時(shí)電壓峰值達(dá)到 6.82mV ，較 H_PCM= 1mm 和 H_PCM=4mm 分別提升了 11.29% 和 65.42% 。

4）相變厚度 2mm 的系統(tǒng)在發(fā)電穩(wěn)定性及自供電潛力上更具優(yōu)勢(shì)。此時(shí)熱電效率和產(chǎn)能分別為 0.74% ，0.542J，較 5mm 產(chǎn)能提升 40.41% 。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）