深圳大学陈光明教授ACHM：向海星学节能！设计全天候自供能热电系统，实现昼夜持续发电

全球能源需求持续攀升，传统化石能源面临枯竭与环保双重压力，开发清洁可持续的新能源技术成为科研界的紧迫使命。热电材料可通过塞贝克效应直接实现热 -电转换，为余热回收与太阳能利用提供了理想路径，但间歇性热源与夜间热损耗始终制约其效率提升。

近日，深圳大学陈光明教授、杜春雨副研究员团队受太阳海星（Heliaster helianthus）腕足能量储存机制启发，设计出一种径向热驱动热电/相变复合系统，成功实现“白天储能、夜间发电”的全天候持续供电，为户外可持续能源供应提供了全新方案。相关论文以“ Bioinspired Thermo-Actuated Thermoelectric/Phase-Change System for All-day Power Generation”为题，发表在Advanced Composites and Hybrid Materials 上。

图1：全天候太阳能发电机设计示意图。a.太阳海星节能机制。b.热电效应。c.形状记忆效应。d.相变潜热储存与释放机制。

研究团队首先通过溶液共混与模板浇铸法制备了PEDOT:PSS/SWCNT复合薄膜。该薄膜同时兼具优异的热电性能和机械稳定性。基于此，他们以PEI掺杂的复合薄膜为n型腿、SWCNT/PEDOT:PSS复合薄膜为p型腿，组装了太阳海星式径向柔性热电器件，其独特的辐射状结构可与相变材料模块无缝集成，大幅提升传热储热效率与场景适用性。该器件表现出优异的热电转换性能，温差70 K时输出功率达3.7 μW，同时具备出色的功率密度、弯曲稳定性（1000次弯曲循环后性能保留98%以上）和空气稳定性（性能稳定维持一周）。

图2：TEG性能评估。a.TEG结构示意图。b.不同温差下的实时开路电压响应。c.在10K、30K、50K、70K温差下输出功率与电流的关系。d.不同温差下的功率密度。输出电压和输出功率的e.弯曲稳定性f.时间稳定性。

为了给热电器件提供稳定热源以满足发电需要，研究人员设计制备了兼具光热效应与循环稳定性的CNT/PW复合相变材料。该材料与热电器件采用环形集成构型，通过光热约束和增强的光热转换能力构建了优化的热管理系统，大幅提升冷热端温差与能量转换效率。复合材料展现出宽光谱高效光吸收特性，1个太阳强度下照射15分钟最高温度达81.90℃，较纯PW提升约32%，且对不同光强度响应快速灵敏。同时DSC测试表明，CNT的引入几乎不影响PW原有相变行为，50次加热-冷却循环后的DSC曲线与首次循环基本重合，此外五次光循环温度曲线高度一致，循环稳定性优异。实时红外热成像照片也说明复合策略较单组分相变材料，能在更短时间内达到更高的温度，表现出显著的光热性能，具备全天候热源应用潜力。

图3：光热增强型相变材料的集成、光热行为及稳定性表征。a.相变系统与热电器件集成示意图。b.复合相变材料的紫外-可见-近红外吸收光谱。c.PW/CNT与纯PW的光热性能对比。d.PW/CNT对不同光强的温度响应。e.不同循环次数下PW/CNT复合相变材料的DSC曲线。f.PW/CNT与纯PW的相变温度及焓值变化对比。g.PW/CNT的光热转换循环稳定性。h.PW与PW/CNT实时监测的红外热成像温度图。

此外，研发团队通过引入钛镍合金构建了一种TN/TE热响应双层热电器件，其中热电层作为功能组件，Ti-Ni合金作为驱动器，凭借优异热疲劳性能赋予器件独特热驱动行为。该双层构型具备可逆热响应特性：热刺激下，Ti-Ni合金借助形状记忆效应驱动结构水平展开；冷却时则自发收缩并向内弯曲，这一特性源于热弹性马氏体转变与可逆晶体结构重排—35℃以上形成有序奥氏体相，低于该温度转变为弹性马氏体相，低能垒原子协同运动保障了结构可逆记忆功能。变温XRD测试证实了晶体结构的温度依赖性：40℃时以高度有序的奥氏体相为主，20℃时则部分转变为低对称性马氏体相；宏观上表现为40℃时合金水平展开，20℃时可达到90弧度弯曲极限并完全闭合，重新加热即可恢复初始状态。该器件对光源热刺激响应灵敏且动态可控，受热时八个p-n分支在Ti-Ni合金驱动下快速展开为水平辐射构型，光源关闭后则随热损耗逐渐收缩至室温弯曲极限。冷却阶段测试显示，器件自由端切线旋转角最高可达70°，所有分支同步向内弯曲，红外热成像证实了温度与变形的同步性，充分证明TN/TE双层薄膜具备热驱动形状记忆特性。

图4：TN/TE双层膜的热响应驱动行为。a.TN/TE双层膜的组装示意图。b.TN/TE双层膜的热响应机制。c.TN层的变温XRD表征。d.TN层形状记忆效应的晶体结构转变示意图。e.冷却阶段单支双层膜、整体器件及相变温度随时间的变化。

热驱动热电/相变一体化系统，通过三大核心组件构建而成：由柔性热电薄膜与Ti-Ni合金薄片组成的热响应热电器件和CNT/PW光热增强型相变材料，两大功能模块的协同集成作用，成功突破太阳能利用的间歇性瓶颈，实现全天候稳定发电。该系统在1个太阳辐照下表现出优异性能，Ti-Ni合金无显著光热与导热效应，可有效保障热电器件冷热端温差稳定；100 mW cm-2模拟太阳光照射时，器件随p-n腿开合呈现灵敏温度响应与稳定电压输出，日间通过太阳能-热能-电能的高效转换与储热，夜间依靠相变材料释热维持温差，实现持续发电。为解决夜间热量流失问题，系统依托Ti-Ni热响应薄膜的弯曲闭合特性打造创新保温策略：200 mW cm-2模拟太阳光照射15分钟后，在保温泡沫辅助下，无太阳能输入时相变材料可维持高于环境温度125分钟；闭合结构比展开型温度高出约3℃，降温延迟1700 s，储热效率大幅提升。冷却阶段，闭合器件相较于无合金器件可额外维持5 K温差和3 mV稳定电压输出，彰显卓越热管理能力。户外24小时测试充分验证了该系统的全天候性能：日间平均温差15.44℃、平均开路电压8.03 mV，最大温差达28.64℃、最大开路电压14.89 mV；夜间仍能维持6.21℃平均温差、3.23 mV平均开路电压，彻底克服太阳能利用的波动性与时间限制，为户外绿色供电场景提供了新颖实用的解决方案。

图5：一体式热电系统的组装及性能测试。a.一体式热电系统组装及太阳响应示意图。b.热电系统p-n腿开合对应的实时温差和输出电压变化。含/不含TN层的两种热电系统：c.温度-时间曲线d.冷却阶段温度延迟效应；e.相同照射时间下的温度变化f.电压变化。一体式热电系统户外真实环境测试：g.日间与夜间实物照片h.测试当天的辐照度与相对湿度i.冷热端温度数据j.实时开路电压。

综上所述，该研究受太阳海星腕足能量储存机制启发，设计并构建了一种集成式太阳能热电发电系统，实现了太阳能的高效利用与全天候发电，为户外可持续绿色供电提供了全新策略。