基于熱超構材料的能量收集與熱電轉換特性*

李一鳴 王鑫? 李昊 杜憲 孫鵬

1) (內蒙古大學電子信息工程學院,呼和浩特 010021)

2) (內蒙古大學交通學院,呼和浩特 010070)

針對溫差發電器的局限性,利用熱超構材料的熱場調控特性,提出了將溫差發電器與二維扇形熱超構材料能量收集結構進行集成,從而改善溫差發電器的熱電轉換效率.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構熱場調控性能的影響,確定材料后對其進行熱電性能仿真,仿真結果表明,能量收集結構可實現熱流的有效調控,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.對不同尺寸溫差發電器發電量進行研究,在此基礎上綜合考慮加工精度和測試難度,完成了能量收集結構3 維建模及加工制造.搭建實驗測試系統,使用熱成像儀觀測能量收集結構的溫度分布,測試實驗結果顯示該能量收集結構可以有效調控熱場,在相同冷熱源條件下相比自然材料結構可以將溫差發電器的工作效率提高3.2 倍,對推動溫差發電技術更加迅速地發展具有一定的現實意義.

1 引言

溫差發電器誕生于20 世紀40 年代,是基于塞貝克效應將熱能直接轉換為電能的一種能量轉換裝置,它具有結構簡單、無運動部件、轉換過程穩定、輸出能量連續、幅度變化緩慢、綠色環保等優點[1].依托熱電材料和器件的飛速發展,溫差發電技術越來越受到學術界和工業界的關注[2].在熱電材料領域通過量子限制、調制摻雜、能帶收斂及共振態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值(ZT)大大提高[3-12].2021 年,南京工業大學Yin等[13]通過將CuBiSe2引入到熱電材料(GeTe)中協同優化熱電輸運性能,在723 K時獲得了2.2 的高熱電優值.同時,熱電器件轉換效率連續刷新紀錄,單級組件高達9%,分段級聯組件更高達12%[14-17].2020 年,中國科學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,實現了電極界面的優化,制作了8 對skutterudite (SKD)組件,在872 K 的熱端溫度下,將單級組件的轉換效率提高至10.2%.

盡管當前溫差發電器的熱電轉換效率相比其誕生時的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.提高能量收集與轉換效率的關鍵在于將能量收集裝置與能量來源進行良好匹配,通常的做法是選擇合適的轉化媒質.然而,自然界中傳統材料的導熱系數通常是相對均一的,且具有各向同性的特性,導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,可以根據應用需求進行空間上的結構設計,實現自然材料所不具備的超常物理性質,體現在熱學方面即可以調控熱流進而調控熱場,通過熱流的集中與溫度梯度的提高,實現熱場的精準調控與熱能的高效收集.因此,采用具備超常物理性質的超材料取代自然材料用于設計新的能量轉換媒介,可實現優異的能量收集性能.與聲、光的波動行為不同,熱傳導滿足的是擴散方程,擴散方程和波動方程的物理機制迥異,因此,以擴散方程為主導的熱學超材料的研究發展較晚.

然而,自從變換光學、坐標變換與有效媒質等應用于擴散場的熱學超材料之后,熱學超材料有了迅猛的發展[20].2008 年,熱隱身斗篷理論(thermal cloak)首次問世[21].因熱超構材料給熱電操控提供了前所未有的自由度,2010 年,Li等[22]把熱與電復合起來,熱電雙功能隱身斗篷相繼提出.其后,有大量的相關工作陸續被報道,從二維熱隱身、三維薄層熱隱身斗篷到二維熱流反轉、二維熱流集中、多功能隱身斗篷、熱場和電場調控等都在理論、仿真和實驗上得到了驗證[21,23-31],同時熱超構材料的誕生使得許多新奇的熱學現象成為可能,熱幻像、無能量恒溫器甚至負能量恒溫器也逐漸成為現實[32-34],在很多領域表現出巨大的應用前景,具備戰略性重大突破的可能.

對于熱聚集器而言,目前主流的結構有二維結構和三維結構.2015 年,新加坡國立大學的仇成偉教授研究組[35]提出了熱場調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控與熱能收集器,但是由于三維能量收集結構具有復雜性,需要采用較高精度的微納加工技術進行精準制備,且實驗測試相對困難,因此三維熱學超材料基本上還處于理論驗證與仿真探索的階段,短時間內難以將其進行推廣和應用.2015 年,新加坡國立大學的Han等[37]使用Cu和PDMS 構成的扇形單元熱學超材料獲得了對熱流位置的精確控制,可以實現熱流聚焦、均勻加熱、熱收集等功能.相比三維結構,二維熱學超材料結構因結構多樣、相對簡單且無尺寸效應,可以使用3D 打印或機械加工的方法進行制造,降低了加工與設計的難度;平面結構可以直接利用紅外熱成像儀評估其熱學性能等優點,被廣泛應用于熱能收集、熱二極管、熱場與電場的多物理場調控等[38].

綜上所述,針對目前溫差發電器的局限性,結合熱超構材料的熱能收集特性,本文提出將基于熱超構材料的能量收集結構與溫差發電器進行集成,實現熱能的高效收集與轉換.首先,為取代自然材料,實現熱場的精準調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構進行了設計、優化.其次,通過仿真驗證了能量收集結構的熱、電性能.在此基礎上完成了該結構的加工制備,最終搭建實驗系統以溫差發電器發電量為指標對能量收集結構和自然材料結構進行對照實驗,測試結果表明能量收集結構可以有效提高溫差發電器發電量,突破自然材料的局限性,改善溫差發電器工作效率.

2 基于熱超構材料的熱場調控與熱能收集特性

2.1 能量收集結構設計

熱超構材料能量收集結構如圖1 所示,整個能量收集結構由3 部分組成,分別是基底(灰色)、能量收集中心(黃色)以及由若干高導熱系數(紅色)和低導熱系數材料(藍色)的小扇形交替排布組成的扇形區域.為了實現能量收集結構與溫差發電片的有效集成,將能量收集中心設計為矩形結構.

圖1 二維扇形能量收集結構示意圖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多物理場接口,進行熱學超構材料的結構優化及熱電性能仿真.傳熱過程采用熱傳導方程(1)進行模擬計算:

達到穩態后的熱傳導方程為

傳導熱通量q以及熱電效應產生的電流密度J分別表示為

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

為進行仿真模擬,首先對熱學仿真條件進行設置,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,并將左右邊界設置為熱絕緣,熱流線設置為均勻密度.同時設定電流模塊及熱電效應接口相關參數,選擇矩形能量收集中心為作用域并將初始電勢設置為零,對矩形能量收集中心最下端做接地處理.

2.2 能量收集結構的材料選擇

能量收集結構能夠對熱流進行有效調控,其關鍵在于將具有不同導熱系數材料進行組合實現了空間導熱系數的各向異性.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、具有一體化成型優點的3D 打印技術對能量收集結構進行加工.

樹脂、鋁合金和不銹鋼是3D 打印技術中比較常見的材料.耐高溫樹脂9500 是堅固、耐高溫零件的首選材料,并且可以方便快捷地進行高精度的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)的熱學性能,并且克服了ABS 材料在3D 打印過程中出現易翹曲、易變形、精度不足等問題[39,40].在1.81 MPa 壓強條件下,其熱變形溫度為119 ℃,以其優良的高耐熱性,優秀的細節分辨率和剛度,成為各種應用包括模具、風洞試驗、高溫試驗、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,可用于薄壁和復雜幾何設計的3D 打印或精密機械加工.該種合金包含了硅和鎂,使得強度和硬度相對于純鋁顯著增強,兼具良好的熱學性能和動態特性、較低的成本及加工難度,廣泛的應用于散熱器部件的制造[41].樹脂和鋁合金的導熱系數分別為0.2 W/(m·K)和155 W/(m·K),相差3 個數量級.將樹脂與鋁合金交替排布,并對其熱流調控特性進行仿真,結果如圖2 所示.當熱流流經鋁合金(A 標記)與樹脂(B 標記)間隔分布的矩形區域時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現熱流的調控.

圖2 鋁合金與樹脂交替排布實現熱流調控Fig.2.Control of the heat flow by alternately arranging the AlSi10Mg and resin.

能量收集結構的基底需與冷熱源直接接觸,承擔熱流傳遞的任務,對能量收集結構熱場調控性能具有較大的影響,因此對基底材料的熱傳導能力有一定的要求.如果使用樹脂材料作為基底,即使實現了熱流的調控,但是因樹脂導熱性能不佳,在矩形能量收集區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,不銹鋼材料的導熱能力較弱.在不銹鋼基底中熱流從熱源出發后更多地經過扇形區域,而不是直接沿著能量收集結構的兩側邊界流入熱沉,進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,流入矩形能量收集中心的熱流流出該區域的速度也更慢.綜上所述,在不銹鋼基底中可以更好地實現熱流匯集,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通過熱學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構的熱場調控性能.首先對二維能量收集結構進行初步建模,如圖1 所示.其中,扇形區域內紅色及藍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,能量收集結構的溫度梯度仿真結果如圖3 所示,由此可見,采用不銹鋼基底時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構溫度梯度圖Fig.3.Temperature gradients of energy harvesting structures respectively using stainless steel or AlSi10Mg substrate.

綜上所述,在扇形區域,低導熱系數材料選擇導熱系數為0.2 W/(m·K)的耐高溫樹脂9500,選擇導熱系數為155 W/(m·K)的鋁合金(AISi10Mg)作為高導熱系數材料,通過耐高溫樹脂和鋁合金的交替排布實現空間導熱系數的各向異性,同時選擇304 不銹鋼作為基底材料.

2.3 能量收集結構的熱、電性能仿真

2.3.1 能量收集結構的熱學性能仿真

單一不銹鋼結構的溫度與熱流分布的仿真結果如圖4(a)所示,黑色箭頭流線代表熱流線.仿真結果表明,單一不銹鋼結構具有導熱系數的各向同性,熱流保持均勻分布沿同一方向從熱源流入熱沉,因此單一不銹鋼結構的溫度分布均勻,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 單一不銹鋼結構與能量收集結構的溫度分布與熱流分布圖 (a) 單一不銹鋼結構;(b) 能量收集結構Fig.4.Temperature and heat flow distribution of single stainless steel structure and energy harvesting structure: (a) Stainless steel structure;(b) energy harvesting structure.

熱超構材料能量收集結構的溫度與熱流分布的仿真結果如圖4(b)所示.熱流從熱源流出,在流經扇形區域前保持均勻分布,靠近扇形區域后熱流方向變為徑向,沿著高導熱系數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域的徑向從高導熱系數的鋁合金流出,最終在基底處恢復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,溫差達到40 K,較單一不銹鋼結構溫差提高了8 倍.

2.3.2 能量收集結構的熱電效應仿真

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

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

圖5 顯示了能量收集結構對溫差發電器工作效率的影響.圖5(a)表明,在單一不銹鋼結構中,該溫差發電器產生的電勢為0.92 mV.同時從圖5(b)可以看出,溫差發電器放置在能量收集結構中后,其產生電勢約為7.2 mV.因此在相同的冷熱源仿真條件下,能量收集結構可以將溫差發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域溫度梯度提高8 倍的仿真結果相符.

圖5 溫差發電器件放置于單一不銹鋼或能量收集結構的電勢量 (a) 單一不銹鋼結構;(b) 能量收集結構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.

以能量收集結構為例,研究了放置溫差發電器后對熱流分布的影響.放置溫差發電器后能量收集結構溫度與熱流分布如圖6(b)所示,從定性分析的角度來看,熱流在能量收集結構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,與未放置溫差發電器時的情況基本相同.因此放置溫差發電器對能量收集結構的熱場調控性能沒有明顯的影響.

圖6 放置溫差發電器前后能量收集結構溫度與熱流分布圖 (a) 放置溫差發電器;(b)未放置溫差發電器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合不銹鋼基底構建二維扇形能量收集結構,可以實現對平面熱場的精確調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,將溫差發電器放置在矩形中心可以改善溫差發電器的工作效率.

3 熱超構材料能量收集結構的制備與性能測試

3.1 能量收集結構的三維建模與制備

為了進行能量收集結構的三維建模、加工制作以及實驗驗證,仿真研究了溫差發電器件的幾何參數對其發電量的影響,以便選擇合適的溫差發電器件進行集成.

圖7 所示為目前主要的消費類溫差發電器件的內部結構,它是由大量熱電偶通過熱并聯和電串聯連接起來,并夾在兩塊高導熱、低導電的陶瓷板之間,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.當兩塊陶瓷板之間存在溫差時,熱流將會沿著垂直于陶瓷板的方向傳輸,從而產生電能.

圖7 消費類溫差發電器結構示意圖Fig.7.Schematic of common thermoelectric genetators.

同系列商用溫差發電器的厚度相同,長度和寬度尺寸組合各異,在相同的溫差條件下,因溫差發電器的結構原理,其發電量與長度和寬度成正比.但是不同系列溫差發電器的厚度不同,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電器進行仿真,以研究溫差發電器厚度對其發電量的影響,仿真結果如表2 所示.

表2 不同厚度溫差發電器熱電仿真結果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,不同厚度的溫差發電器發電量接近,厚度對溫差發電器件工作影響不大.因此從更加經濟的角度考慮,選擇了厚度為3.5 mm 的TES1 系列中的TES1-12006(4 cm×2 cm×0.35 cm)溫差發電器件進行能量收集結構的建模和制備.

整個能量收集結構由圖8 所示的3 部分裝配而成,分別采用精密機械加工和3D 打印技術實現不銹鋼基底及扇形結構的加工制備,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電器.

圖8(a)為不銹鋼基底的結構,不銹鋼基底整體尺寸為15.5 cm×12 cm×2.3 cm,為降低后續測試難度以及提高實驗精度,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構,其結構類似于法蘭盤,上端開孔半徑5 cm,下端開孔半徑4.2 cm,下端開孔可以實現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到冷端的熱流,以實現更接近于仿真中的實驗條件.

圖8 能量收集結構三維模型圖 (a) 不銹鋼基底;(b) 樹脂扇形區域;(c) 鋁合金扇形區域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構,那么后期裝配將會出現加工誤差累積的情況,從而產生較大的間隙,嚴重影響實驗結果,因此耐高溫樹脂部分由18 個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,實現能量收集結構的精準裝配.圖8(c)為扇形結構中的鋁合金部分,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構并與基底進行裝配得到能量收集結構,集成溫差發電器后的能量收集結構如圖9 所示.

圖9 集成溫差發電器的能量收集結構裝配模型圖Fig.9.Model diagram of the energy harvesting structure with the thermoelectric generator.

3.2 能量收集結構的性能測試與結果分析

實現能量收集結構與溫差發電片集成后,為提高實驗精度,在能量收集結構的契合處涂抹少量導熱硅脂.整個測試系統如圖10 所示,在室溫25 ℃條件下進行實驗,能量收集結構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電片產生的電壓和電流進行測量,并使用海康威視H13 專業版紅外熱成像儀對能量收集結構進行拍攝,研究能量收集結構表面的溫度分布以刻畫能量收集結構的熱場調控性能.

圖10 能量收集結構實驗測試系統Fig.10.Experimental test system for energy harvesting structure.

為直觀對比能量收集結構與自然材料結構的熱學性能差異及對溫差發電片發電量不同影響,在相同的實驗條件借助單一不銹鋼結構設置了對照組實驗,如圖11 所示.

圖11 單一不銹鋼結構實驗測試系統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構和單一不銹鋼結構進行三組測試,采用固定功率的加熱裝置對實驗裝置充分加熱1 h 以模擬熱流傳導的過程,實驗過程中定期使用沸水補充水位,使用萬用表記錄實驗過程中的最大發電量及加熱結束后時的發電量,并使用紅外熱成像儀對結構表面進行拍攝,分析此時能量收集結構的溫度分布.

能量收集結構和單一不銹鋼結構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的位置.由圖12(b)可知,單一不銹鋼結構表面最高溫出現在結構最上端,溫度從結構上端到下端保持均勻分布.然而在能量收集結構表面,扇形區域內鋁合金的溫度明顯高于結構外部溫度,最高溫出現在扇形鋁合金上,溫差發電片上端溫度高于單一不銹鋼結構,說明能量收集結構有效地實現了熱流調控,達到熱聚集的效果.實驗過程中對兩結構溫差發電片發電量進行持續測試,數據如表3 和表4 所示.

表3 能量收集結構中溫差發電片發電量Table 3.Power generation of the thermoelectric generator placed in the energy harvesting structure.

表4 單一不銹鋼結構中溫差發電片發電量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果圖 (a) 能量收集結構;(b) 單一不銹鋼結構Fig.12.Test results by the infrared thermal imager: (a) Energy harvesting structure;(b) stainless steel structure.

在能量收集結構中,溫差發電片的平均最大發電量為9.5 mW,是單一不銹鋼結構中溫差發電片1.8 倍.隨著熱傳導的不斷持續,兩結構中溫差發電片上下兩端溫差均隨之降低,導致發電片發電量相應下降.單一不銹鋼結構具有導熱系數的各向同性特點,因此導致從熱源到熱沉溫度呈現均勻分布,熱流傳導慢且難以聚集,最終矩形能量收集中心上端溫度穩定在55.2 ℃,下端溫度為48 ℃,溫差為7.2 ℃.熱超構能量收集結構實現了空間導熱系數的各向異性,進而實現了熱流調控與熱能聚集.加熱結束時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 ℃,相較不銹鋼結構提高3.4 倍.在相同實驗條件下,采用萬用表分別對單一不銹鋼結構和熱超構材料能量收集結構中溫差發電片的電壓和電流進行測量,相比單一不銹鋼結構,超構材料能量收集結構可有效提高溫差發電片的發電量,發電量的平均值提高3.2 倍.

4 結論

目前溫差發電器件受工作效率的限制難以得到廣泛的應用.本文提出了一種將溫差發電器件與二維熱超構材料能量收集結構集成以改善溫差發電器工作效率的方法.在能量收集結構扇形區域采用鋁合金與樹脂的交替排布實現了導熱系數的更向異性,進而實現了熱場的調控與熱流的聚集.通過高精度3D 打印技術和精密機械加工對能量收集結構進行加工制備.

采用COMSOL Multiphysics 仿真軟件對能量收集結構的熱學性能進行仿真,并利用紅外熱成像儀進行實驗測試驗證得出該熱超構能量收集結構可以有效調控熱場,實現熱流集中,在相同實驗環境下相比自然材料結構可以將熱電轉換效率提高3.2 倍.

倘若進一步優化加工工藝、提高系統集成程度,并將能量收集結構與相關能量管理電路結合,可有望實現對某些超低功耗應用如無線傳感器網絡、可穿戴設備等的自主供電功能,對推動自供電技術的發展及綠色能源利用具有一定的現實意義,具備較為廣闊的應用前景.