面向溫差發電裝置的相變散熱器設計與測試

張雨琪 徐道春 李文彬

摘 要：為構建環境監測自供電無線傳感器網絡，針對溫差發電裝置轉換效率低、發電時間短等無法滿足無線傳感器的供電需求，本研究設計4種相變材料封裝殼體作為溫差發電裝置的散熱器，通過提供周期性熱源，模擬自然環境，研究不同封裝結構對發電特性及相變材料溫度特性的影響。結果表明，相變散熱器不僅可顯著提升裝置的平均電壓，而且可有效延長發電時長。與風冷散熱器相比，含有相變散熱器的發電裝置平均提升電壓22%，最大輸出電壓可達1 V;溫差平均提升42%，最大溫差可達85 ℃;斷開熱源后，相變散熱器作為熱源反向供電，可在無光照或夜間持續供電，反向溫差最大可達22 ℃，平均發電時長延長220%。此外，蜂窩狀腔體結構的發電特性明顯優于其他結構，腔體內部嵌入的微型平板熱管可有效克服相變材料導熱率低的缺點。殼體結構可大幅提升相變材料內部傳熱速率，含有相變散熱器的溫差發電裝置可充分滿足無線傳感器網絡持續供電的需求。

關鍵詞：溫差發電;相變換熱;優化設計;熱電轉換;無線傳感器

中圖分類號：TM913 ? ?文獻標識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2020）05-0085-07

Abstract：In order to build a self-powered wireless sensor network for environmental monitoring， aiming at the factors such as low conversion efficiency and short power generation time of thermoelectric power generation device cannot meet the power supply demand of wireless sensor， four kinds of phase change material cavities were designed as the radiator of thermoelectric power generation device. By providing periodic source and simulating natural environment， the effects of different packaging structures on the characteristics of power generation and the temperature characteristics of PCMs were studied. Results showed that the phase change radiator can not only significantly increase the average voltage of the device， but also effectively extend the generation time. Compared with air-cooled radiators， power generation device with phase change radiators increased the voltage by 22% on average， and the maximum output voltage can reach 1V; the temperature difference increased by 42% on average， and the maximum temperature difference can reach 85℃. After removing the external heat source， the phase change radiator served as a reverse power source， which can continuously supply power in the absence of light or at night. The maximum reverse temperature difference can reach 22℃， and the average power generation time was extended by 220%. In addition， the power generation characteristics of honeycomb cavity structure were obviously better than other structures， and the micro-channel heat pipe embedded in the cavity can effectively overcome the disadvantage of low thermal conductivity of phase change materials. The cavity can greatly improve the heat transfer rate inside the phase change material， and the thermoelectric device with phase change radiator can fully meet the demand of continuous power supply of wireless sensor network.

Keywords：Thermoelectric power generation; phase change materials; optimal design; thermoelectric conversion; wireless sensor

0 引言

無線傳感器網絡在林業氣象監測、水質監測和火災監測等環境監測領域具有良好的應用前景，但化學電池存在電池壽命有限、需定期更換和環境污染等缺點，無法滿足無線傳感器網絡廣泛應用的需求[1]，因此原位供電方式逐漸成為必要的選擇。通過能量采集器將熱能[2]、振動能[3]和摩擦能[4]等環境能量轉變為電能，可滿足綠色無污染可持續發展的需求。其中，熱能因其易獲取、儲量豐富被認為是未來最具發展潛力的綠色能源之一[5]。根據“賽貝克效應”，可將溫度差轉化為電勢，實現熱電能量轉化。目前這種方法溫差發電已應用在森林土壤溫差發電[5- 6]、太陽能熱電聯產[7]、自供電無線測溫傳感器[8]和發動機余熱回收[9]等方面。

在實際溫差發電裝置應用中，仍存在轉換效率低、發電時間短等問題。將相變材料作為散熱器不僅可提升散熱效率，也可利用其潛熱性能吸收并存儲白天的熱能[10]，在日照強度較弱的環境中作為可靠熱源。但由于液體泄漏、導熱系數較低等問題，限制了其在自供電裝置中的應用。目前，主要從封裝結構及材料特性提升其熱可靠性。Abdi等[11]采用數值模擬對相變材料封裝殼體內部翅片的長度、數量進行研究，結果表明，翅片可平均提升功率200%，有效增大傳熱面積，提升傳熱速率，彌補相變材料導熱系數低的缺點。Tu等[10]研制了一種含有膨脹石墨的石蠟材料，通過模擬計算表明，石墨的穩定結構可增強相變材料的熱可靠性。王世學等[12]、張星等[13]對使用相變換熱的溫差發電器進行了數值模擬，研究表明優化相變封裝殼體結構，將大幅提升發電裝置的輸出功率及轉換效率。

相變換熱器的形式主要為板式[14]、管殼式、熱管式及其他異性換熱器[15]。但在溫差發電裝置中，相變散熱器主要為矩形腔體。Atouei等[16]表明空心矩形相變儲熱器置于溫差片熱端時，斷開熱源后，能夠延長兩倍的發電時長。Stupar等[17]設計了一種含有相變材料的散熱器，此散熱器可在用電高峰期給電器提供保護，并可降低冷端溫度10～20 ℃。

上述研究對相變散熱器內部結構有初步的模擬研究結果，但目前針對溫差發電裝置的相變散熱器結構研究缺乏較為詳細的實驗數據。本文在半導體溫差發電片的冷端設計了4種填充有相變材料的腔體結構作為散熱器，通過提供周期性熱源，模擬自然熱源，對比4種相變散熱器，分析其發電特性。并對腔體內部傳熱溫度特性及時長進行詳細分析，旨在為后續溫差發電裝置的相變散熱器提供可靠的設計方案。

根據建模和Atouei等[16]研究可知，相變散熱器的幾何尺寸、相變材料特性和融化溫度范圍均對其散熱性能有影響。相變材料的低導熱率會導致熱量集中于熱源處，在材料內部形成較大的溫度梯度（ΔT），在相變材料特性和封裝幾何尺寸確定的前提下，為獲得較好的散熱性能，需對封裝殼體內部的導熱結構進行設計與實驗。

根據半導體溫差發電片的尺寸，4種封裝殼體內部如圖2所示，均為方形立方體（46 mm×46 mm×46 mm），其內部腔體為40 mm×40 mm×40 mm，根據設計加工形成4種腔體結構。封裝殼體由導熱系數為231 W/（m·K）的鋁制成，內部均填充熔點為52 ℃的石蠟。蜂窩腔體填充的相變材料質量為空心腔體的80%，熱管散熱器約為85%，翅片散熱器約為90%。圖2（a）是含有16個蜂窩孔的腔體，熱端加熱時，通過網格狀鋁殼使內部石蠟從4面均勻受熱，提升相變材料內部傳熱速率，但由于內部網狀結構的設計，導致此腔體內部相變材料的質量所占比例最小，其潛熱性能也最小。圖2（b）為內置翅片的腔體，通過縱向傳遞熱量提升傳熱速率;圖2（c）為空心腔體僅填充相變材料，僅由相變材料自身傳熱，但材料質量相對較多，潛熱性能大;圖2（d）為腔體內部嵌有3片微型平板熱管，每片體積為40 mm×40 mm×3 mm，微型平板熱管因其導熱能力較強而廣泛應用于微電子散熱器，但與相變散熱器相結合的研究仍然缺乏詳細的實驗數據。

1.2 試驗方法

實驗系統如圖3所示，實驗系統包括多路數據無紙記錄儀、外部電源、電加熱器、夾持器以及溫差發電裝置。多路數據無紙記錄儀通過K型熱電偶測量如圖1（b）所示溫度， 根據公式（1）需測定TEG熱端溫度Th、冷端溫度Tc、溫度差ΔT以及電壓V，同時記錄相變材料內部溫度T1、T2、T3，可反應內部結構傳熱速率。電加熱器額定電壓為220 V，額定功率為100 W。為減小電加熱器、TEG與封裝殼體之間的熱阻，在溫差發電裝置兩側設置夾持裝置。同時，為減小熱對流與熱輻射，在封裝殼體外側包裹隔熱材料。為增強實驗的可靠性，相變散熱器將與風冷進行對比，風冷的小型風扇（12 V，0.08 A）由外部電源進行驅動。

通過提供周期性熱源，模擬自然環境熱源，電加熱器加熱600 s后，冷卻600 s，循環兩次，直至電壓在0 V處穩定則停止記錄。在此期間，相變材料可在加熱過程中完全達到熔點，充分儲熱并釋放。

2 結果與分析

2.1 半導體溫差發電片的發電性能

圖4比較分析不同散熱器結構下，TEG的發電性能。圖4（a）表明各發電裝置的熱端溫度，在加熱至600 s和1 800 s時，相比無相變發電系統，安裝有相變散熱器的發電系統熱端較快達到峰值點，且平均提高熱端溫度20～40 ℃。在0～600 s加熱過程中，翅片腔體與蜂窩腔體的升溫速率近似，然而在1 200～1 800 s，蜂窩腔體峰值溫度較高于其他腔體結構。在1 800 s時，電加熱器斷開電源，無相變發電裝置在2 800 s熱端達到室溫。相變散熱器可延長熱端溫度2～3倍的時長。

圖4（b）為各發電裝置的冷端溫度。在0～600 s加熱過程中，冷端溫度近似相等。然而在600～1 200 s斷電降溫過程中，由于相變材料的儲熱能力，相變散熱器可保持冷端溫度在較小的波動范圍內。在1 800 s處，電加熱器斷電，系統開始在自然環境中降溫冷卻，相變材料將加熱過程中存儲的熱量釋放，在蜂窩腔體、翅片腔體與熱管腔體的冷端溫度變化中，可明顯看出相變材料的溫度特性，在石蠟熔點52 ℃附近可明顯觀察到相變材料的熱量釋放。空心腔體由于結構以及相變材料低導熱率的原因，相變溫度對鋁制殼體的溫度影響較為緩慢，因而在TEG冷端溫度變化上，相變材料的溫度特性并不明顯。同時，空心腔體由于內部無多余結構，相變材料質量相對較大，能夠存儲更多的熱能，因而在降低冷端溫度的過程中，冷卻速率明顯高于其他3種腔體結構。與無相變散熱器裝置相比，冷卻時長延長3～4倍。

TEG兩側的溫度差如圖4（c）所示，蜂窩腔體與翅片腔體在循環加熱過程中，TEG兩側溫差可達到80～85 ℃，與無相變發電裝置相比提升約42%。含有相變散熱器的發電裝置在2 200 s處即可開始提供反向溫差，最大溫差可達22 ℃。在3 000 s時，當普通溫差發電裝置溫差為0℃時，相變散熱器此時仍可提供穩定可靠的熱源。保持溫差的時長相對提升240%。

圖4（d）為各溫差發電裝置輸出的開路電壓V。在加熱循環過程中，蜂窩腔體在峰值附近的輸出電壓明顯優于其他結構，最大值可達1 V。蜂窩腔體內部填充的相變材料質量比空心腔體和翅片腔體分別減少20%和10%，而電壓平均提升約8%，相比熱管腔體和無相變裝置提升約22%，表明蜂窩腔體為最佳相變散熱器結構。在相變材料作為熱源提供反向溫差時，含有相變散熱器的裝置可提升電壓20%，同時可在無外部熱源環境中，有效供電時長提升約220%。當輸入電壓大于20 mV[2]時，即可啟動無線傳感器網絡，4種含有相變散熱器的溫差發電裝置均可以充分滿足無線傳感器網絡的供電需求。

綜上，比較分析不同的散熱器結構，在含有相變散熱器的發電裝置中，TEG的熱端溫度及冷端溫度由于相變材料的潛熱性能均有提升，同時也提升了TEG兩側溫差及開路電壓。其中蜂窩狀腔體結構作為散熱器，具有較快的導熱速率，有效降低相變材料內部的溫度梯度，在減少填充相變材料質量的同時大幅提升輸出電壓，有效地提升了TEG的發電性能。

2.2 腔體內部溫度變化特性

由于腔體內部結構不同，影響內部相變材料的傳熱效率，因此對不同散熱器相變材料內部溫度如圖1（b）測試位置所示，對T1、T2、T3進行了測量并與冷端溫度進行對比，進一步研究相變散熱器內部的溫度梯度變化特點。圖5中，在0～2 400 s加熱循環中，TEG的冷端溫度均與T1近似，因為此時電加熱器仍然為主要熱源;在2 400 s后，Tc與T3近似，此時電加熱器斷電，相變散熱器變為裝置的主要熱源，TEG的冷端溫度由熱源決定。圖5（a）為蜂窩腔體的內部溫度變化，由于蜂窩結構，內部由鋁制網格均勻快速傳熱，內部傳熱溫度均等，可達到最高溫度為83 ℃，比翅片腔體及熱管腔體提升17%，并較快達到溫度峰值點。

圖5（b）和圖5（c）分別為翅片腔體和熱管腔體的內部溫度變化，兩種腔體的峰值溫度均為72 ℃，均可縮小冷端溫度的波動范圍。翅片腔體的末端溫度T3（即靠近TEG冷端）與蜂窩腔體末端溫度緊隨T1、T2變化的趨勢一致，但存在明顯的波動，這是因為金屬的導熱能力遠超過相變材料，在蜂窩狀腔體中，鋁制殼體四面的熱量通過鋁制網格同時向末端傳遞，而在翅片腔體兩側殼體的熱量主要通過相變材料向末端傳遞。

在圖5（c）中，熱管腔體的中心溫度變化速率略低于兩側溫度T1、T3，這是由于微型平板熱管的導熱速率低于鋁。但在熱管腔體進行反向供熱的3 000～10 800 s中，腔體內部降溫速率低于蜂窩腔體和翅片腔體。與空心腔體（圖5（d））相比，微型平板的嵌入，有效地提升了中心溫度T3的升溫速率，并更快達到相變材料的熔點。

空心腔體內部溫度變化（圖5（d））明顯不同與其他3種腔體結構，T1比中心溫度T2平均高34%，比末側溫度T3平均高14%。這是由于相變材料較低的導熱率導致，鋁制殼體在加熱環境下，溫度先于相變材料上升，內部相變材料通過鋁制殼體的熱傳遞，溫度均勻上升。但在加熱過程中心溫度T3為勻速上升，在冷卻過程中，表現出明顯的相變材料溫度特性。

因此，4種腔體結構均可縮小TEG冷端溫度的波動范圍。蜂窩狀腔體內部由于其網狀結構使得溫度變化速率快、峰值溫度較高，且四處溫度差值較小，具有最小的溫度梯度，因此該導熱結構為最佳方案。熱管的嵌入可以有效地克服相變材料導熱率較低的缺點，提升相變材料在加熱過程中的熱傳遞速率。

3 結論

本研究為改善環境監測中溫差發電裝置轉換效率低、發電時間短的問題，設計了4種相變散熱器。通過試驗研究了相變散熱器對發電裝置發電特性及溫度特性的影響，并研究了腔體內部相變材料的溫度傳遞特性，主要結論如下。

（1） 相變散熱器平均提升半導體溫差發電裝置的兩側溫差約42%，提高開路電壓輸出約22%，峰值電壓可達1 V。

（2） 斷開熱源后，相變散熱器可反向作為熱源，延長溫差發電時長220%，反向輸出電壓可滿足啟動無線傳感器網絡20 mV需求。

（3） 合理相變的散熱器結構，可克服相變材料低導熱率的缺點。蜂窩腔體內部的網狀結構可有效地減小相變材料的溫度梯度，在擴大溫差發電器兩端溫差和提升輸出電壓方面，相比其他結構提升約8%～22%，蜂窩狀相變散熱器更適合作為溫差發電裝置的散熱器。

相變散熱器的設計不僅可滿足無線傳感器網絡的持續供電需求，而且可大幅提升溫差發電裝置的發電特性。

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