Nano Energy|用于全天供电的高性能漂浮式热电发电机

研究背景

随着现代社会的快速发展，伴随工业流程产生的废热显著增加，约占总能源输入的 60%。如何再利用低品位废热，对于提高能源利用效率，进而减轻人类活动对环境造成的碳足迹而言，是一项巨大的挑战。回收废热的一个潜在策略是利用热电发电机（TEGs），它能够借助塞贝克效应将热能直接转化为电能，具有全固态结构、可靠性高以及与生俱来的环境兼容性等优点。尽管在温差较小时热电发电机产生的输出功率较小，但它们在为低能耗无线传感器和物联网（IoT）设备供电方面展现出了重大潜力。热电发电机的性能与热电材料的优值系数 zT 以及其两端的温差（ΔT）呈正相关 。大量的研究工作都集中在优化热电材料的电学和热学性能上 。此外，增大热电发电机两端的温差对于提高热电转换效率也至关重要，特别是在温差相对较小的应用场景中（例如，人体热能收集、环境热能回收以及太阳能收集）。

相关成果以“High-performance floating thermoelectric generator for all-daypower supply’’为题发表在《Nano Energy》上（JCR一区 中科院一区TOP IF=16.8 ）。

研究内容

在这项工作中，我们提出了一种基于TAA/ based TAFTEG的新策略，通过选择性太阳能吸收、被动辐射冷却和稳定的水温环境，有效地利用这三种热力学资源，从而实现全天不间断的可再生能源收集。光谱TAA/E基于wxv1 - xo2相变材料，显示出相当大的太阳吸收（~ 96 %）和可切换的动态热辐射调制能力，从低发射~ 45 %到选择性高发射~ 81 %。在~ 1 kW m−2的太阳辐射下，制备的TAFTEG在水面上可以产生稳定的ΔT ~ 34°C，对应于~ 120 mV的大开路电压（Voc）和~ 1.0 mW cm−2的功率密度。室外性能测试表明，TAFTEG在中午和午夜分别可以产生持续的有希望的功率输出，分别为~ 1.0 mW cm−2和~ 2.0 μW cm−2。

研究数据

图 1. （a）基于热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）为位于偏远农村地区及近海区域的各类传感器和监测器提供不间断电源的概念示意图。（b）热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）在阳光照射（左图）和黑暗（右图）条件下的热传递及温度变化示意图。（c）及（d）本研究中以及已报道成果里，由太阳能驱动或辐射制冷驱动的热电发电机在白天和夜间的光学及电学输出性能对比。

图 2. （a）在 15℃（蓝色）和 70℃（红色）温度下，生长于氧化铝衬底上的钨掺杂二氧化钒（WₓV₁₋ₓO₂）薄膜的反射光谱。
（b）在 20℃至 80℃温度范围内，沉积在玻璃衬底上的钨掺杂二氧化钒（WₓV₁₋ₓO₂）薄膜的拉曼光谱。
（c）钨掺杂二氧化钒（WₓV₁₋ₓO₂）薄膜在 8μm 波长处反射率的热滞回线，其中红线和蓝线分别代表加热和冷却过程。插图为热滞回线的微分图像。
（d）所制备的基于钨掺杂二氧化钒（WₓV₁₋ₓO₂）的热辅助吸收体 / 发射器（TAA/E）的截面微观结构。
（e）在 15℃（蓝色）和 70℃（红色）温度下，基于钨掺杂二氧化钒（WₓV₁₋ₓO₂）的热辅助吸收体 / 发射器（TAA/E）的吸收光谱。
（f）室温下基于钨掺杂二氧化钒（WₓV₁₋ₓO₂）的热辅助吸收体 / 发射器（TAA/E）的角吸收率。
（g）在 15℃（上图）和 70℃（下图）温度下，基于钨掺杂二氧化钒（WₓV₁₋ₓO₂）的热辅助吸收体 / 发射器（TAA/E）的模拟归一化电场分布。
（h）在太阳辐照强度为 1kW・m⁻² 的情况下，基于钨掺杂二氧化钒（WₓV₁₋ₓO₂）的热辅助吸收体 / 发射器（TAA/E）与周围空气的室内温度测量结果。
（i）基于钨掺杂二氧化钒（WₓV₁₋ₓO₂）的热辅助吸收体 / 发射器（TAA/E）的室外温度测量结果。图 f 中的插图展示了 2023 年 4 月 8 日在深圳同步测量的太阳辐照情况。

图 3. （a）水面上热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）的示意图。漂浮在水面上的热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）在（b）白天和（c）夜间的热平衡示意图。其中，表示热传导，表示焦耳热，表示珀尔帖热，表示与环境的热传递。
（d）在白天（太阳辐照强度为 1kW・m⁻² 时），热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）的温差（△T）以及（g）最大功率（Pmax）随热电臂的高度和间距（δ）变化的函数关系图。
（e）在白天（太阳辐照强度为 1kW・m⁻² 时），热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）的温差（△T）以及（h）最大功率（Pmax）随热电臂与其周围环境之间的对流热传递系数（hleg）以及水温变化的函数关系图。
（f）在夜间，热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）的温差（△T）以及（i）最大功率（Pmax）随以及水温变化的函数关系图。

图 4. （a）温度自适应热电发电机（TEG）封装前后的照片。
（b）室内实验装置以及所制造的尺寸为 34×34×12.4 mm³ 的热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）的照片。
（c）在室内太阳光照强度为 1 kW・m⁻² 的情况下，热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）顶部、底部、环境以及水的温度。
（d）在室内太阳辐射强度为 1 kW・m⁻² 且持续 10 分钟的条件下，热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）的电压 - 电流和功率 - 电流特性曲线。
（e）利用自制的热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）通过直流升压转换器为发光二极管（LED）供电的演示。

图 5. （a）户外实验装置的照片。
（b）热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）在白天的温度。
（c）热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）在白天的温差（ΔT）以及开路电压（Voc）。
（d）热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）在白天的最大功率（Pmax）。
（e）在不同太阳辐照强度及底部温度条件下，热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）在白天不同区域潜在的平均发电量。
（f）热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）在夜间的温度。
（g）热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）在夜间的温差（ΔT）以及开路电压（Voc）。
（h）热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）在夜间的最大功率（Pmax）。
（i）在不同太阳辐照强度及底部温度条件下，热辅助柔性热电发电机（TAFTEG）整夜在不同区域潜在的平均发电量。实验当天的太阳辐照、湿度以及风速等天气状况展示于图 S13 中。

https://www.xmol.com/paperRedirect/1853122360263909376

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！