面向温差发电装置的相变散热器设计与测试

张雨琪 徐道春 李文彬

摘 要：為构建环境监测自供电无线传感器网络，针对温差发电装置转换效率低、发电时间短等无法满足无线传感器的供电需求，本研究设计4种相变材料封装壳体作为温差发电装置的散热器，通过提供周期性热源，模拟自然环境，研究不同封装结构对发电特性及相变材料温度特性的影响。结果表明，相变散热器不仅可显著提升装置的平均电压，而且可有效延长发电时长。与风冷散热器相比，含有相变散热器的发电装置平均提升电压22%，最大输出电压可达1 V;温差平均提升42%，最大温差可达85 ℃;断开热源后，相变散热器作为热源反向供电，可在无光照或夜间持续供电，反向温差最大可达22 ℃，平均发电时长延长220%。此外，蜂窝状腔体结构的发电特性明显优于其他结构，腔体内部嵌入的微型平板热管可有效克服相变材料导热率低的缺点。壳体结构可大幅提升相变材料内部传热速率，含有相变散热器的温差发电装置可充分满足无线传感器网络持续供电的需求。

关键词：温差发电;相变换热;优化设计;热电转换;无线传感器

中图分类号：TM913    文献标识码：A   文章编号：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

无线传感器网络在林业气象监测、水质监测和火灾监测等环境监测领域具有良好的应用前景，但化学电池存在电池寿命有限、需定期更换和环境污染等缺点，无法满足无线传感器网络广泛应用的需求[1]，因此原位供电方式逐渐成为必要的选择。通过能量采集器将热能[2]、振动能[3]和摩擦能[4]等环境能量转变为电能，可满足绿色无污染可持续发展的需求。其中，热能因其易获取、储量丰富被认为是未来最具发展潜力的绿色能源之一[5]。根据“赛贝克效应”，可将温度差转化为电势，实现热电能量转化。目前这种方法温差发电已应用在森林土壤温差发电[5- 6]、太阳能热电联产[7]、自供电无线测温传感器[8]和发动机余热回收[9]等方面。

在实际温差发电装置应用中，仍存在转换效率低、发电时间短等问题。将相变材料作为散热器不仅可提升散热效率，也可利用其潜热性能吸收并存储白天的热能[10]，在日照强度较弱的环境中作为可靠热源。但由于液体泄漏、导热系数较低等问题，限制了其在自供电装置中的应用。目前，主要从封装结构及材料特性提升其热可靠性。Abdi等[11]采用数值模拟对相变材料封装壳体内部翅片的长度、数量进行研究，结果表明，翅片可平均提升功率200%，有效增大传热面积，提升传热速率，弥补相变材料导热系数低的缺点。Tu等[10]研制了一种含有膨胀石墨的石蜡材料，通过模拟计算表明，石墨的稳定结构可增强相变材料的热可靠性。王世学等[12]、张星等[13]对使用相变换热的温差发电器进行了数值模拟，研究表明优化相变封装壳体结构，将大幅提升发电装置的输出功率及转换效率。

相变换热器的形式主要为板式[14]、管壳式、热管式及其他异性换热器[15]。但在温差发电装置中，相变散热器主要为矩形腔体。Atouei等[16]表明空心矩形相变储热器置于温差片热端时，断开热源后，能够延长两倍的发电时长。Stupar等[17]设计了一种含有相变材料的散热器，此散热器可在用电高峰期给电器提供保护，并可降低冷端温度10～20 ℃。

上述研究对相变散热器内部结构有初步的模拟研究结果，但目前针对温差发电装置的相变散热器结构研究缺乏较为详细的实验数据。本文在半导体温差发电片的冷端设计了4种填充有相变材料的腔体结构作为散热器，通过提供周期性热源，模拟自然热源，对比4种相变散热器，分析其发电特性。并对腔体内部传热温度特性及时长进行详细分析，旨在为后续温差发电装置的相变散热器提供可靠的设计方案。

根据建模和Atouei等[16]研究可知，相变散热器的几何尺寸、相变材料特性和融化温度范围均对其散热性能有影响。相变材料的低导热率会导致热量集中于热源处，在材料内部形成较大的温度梯度（ΔT），在相变材料特性和封装几何尺寸确定的前提下，为获得较好的散热性能，需对封装壳体内部的导热结构进行设计与实验。

根据半导体温差发电片的尺寸，4种封装壳体内部如图2所示，均为方形立方体（46 mm×46 mm×46 mm），其内部腔体为40 mm×40 mm×40 mm，根据设计加工形成4种腔体结构。封装壳体由导热系数为231 W/（m·K）的铝制成，内部均填充熔点为52 ℃的石蜡。蜂窝腔体填充的相变材料质量为空心腔体的80%，热管散热器约为85%，翅片散热器约为90%。圖2（a）是含有16个蜂窝孔的腔体，热端加热时，通过网格状铝壳使内部石蜡从4面均匀受热，提升相变材料内部传热速率，但由于内部网状结构的设计，导致此腔体内部相变材料的质量所占比例最小，其潜热性能也最小。图2（b）为内置翅片的腔体，通过纵向传递热量提升传热速率;图2（c）为空心腔体仅填充相变材料，仅由相变材料自身传热，但材料质量相对较多，潜热性能大;图2（d）为腔体内部嵌有3片微型平板热管，每片体积为40 mm×40 mm×3 mm，微型平板热管因其导热能力较强而广泛应用于微电子散热器，但与相变散热器相结合的研究仍然缺乏详细的实验数据。

1.2 试验方法

实验系统如图3所示，实验系统包括多路数据无纸记录仪、外部电源、电加热器、夹持器以及温差发电装置。多路数据无纸记录仪通过K型热电偶测量如图1（b）所示温度， 根据公式（1）需测定TEG热端温度Th、冷端温度Tc、温度差ΔT以及电压V，同时记录相变材料内部温度T1、T2、T3，可反应内部结构传热速率。电加热器额定电压为220 V，额定功率为100 W。为减小电加热器、TEG与封装壳体之间的热阻，在温差发电装置两侧设置夹持装置。同时，为减小热对流与热辐射，在封装壳体外侧包裹隔热材料。为增强实验的可靠性，相变散热器将与风冷进行对比，风冷的小型风扇（12 V，0.08 A）由外部电源进行驱动。

通过提供周期性热源，模拟自然环境热源，电加热器加热600 s后，冷却600 s，循环两次，直至电压在0 V处稳定则停止记录。在此期间，相变材料可在加热过程中完全达到熔点，充分储热并释放。

2 结果与分析

2.1 半导体温差发电片的发电性能

图4比较分析不同散热器结构下，TEG的发电性能。图4（a）表明各发电装置的热端温度，在加热至600 s和1 800 s时，相比无相变发电系统，安装有相变散热器的发电系统热端较快达到峰值点，且平均提高热端温度20～40 ℃。在0～600 s加热过程中，翅片腔体与蜂窝腔体的升温速率近似，然而在1 200～1 800 s，蜂窝腔体峰值温度较高于其他腔体结构。在1 800 s时，电加热器断开电源，无相变发电装置在2 800 s热端达到室温。相变散热器可延长热端温度2～3倍的时长。

图4（b）为各发电装置的冷端温度。在0～600 s加热过程中，冷端温度近似相等。然而在600～1 200 s断电降温过程中，由于相变材料的储热能力，相变散热器可保持冷端温度在较小的波动范围内。在1 800 s处，电加热器断电，系统开始在自然环境中降温冷却，相变材料将加热过程中存储的热量释放，在蜂窝腔体、翅片腔体与热管腔体的冷端温度变化中，可明显看出相变材料的温度特性，在石蜡熔点52 ℃附近可明显观察到相变材料的热量释放。空心腔体由于结构以及相变材料低导热率的原因，相变温度对铝制壳体的温度影响较为缓慢，因而在TEG冷端温度变化上，相变材料的温度特性并不明显。同时，空心腔体由于内部无多余结构，相变材料质量相对较大，能够存储更多的热能，因而在降低冷端温度的过程中，冷却速率明显高于其他3种腔体结构。与无相变散热器装置相比，冷却时长延长3～4倍。

TEG两侧的温度差如图4（c）所示，蜂窝腔体与翅片腔体在循环加热过程中，TEG两侧温差可达到80～85 ℃，与无相变发电装置相比提升约42%。含有相变散热器的发电装置在2 200 s处即可开始提供反向温差，最大温差可达22 ℃。在3 000 s时，当普通温差发电装置温差为0℃时，相变散热器此时仍可提供稳定可靠的热源。保持温差的时长相对提升240%。

图4（d）为各温差发电装置输出的开路电压V。在加热循环过程中，蜂窝腔体在峰值附近的输出电压明显优于其他结构，最大值可达1 V。蜂窝腔体内部填充的相变材料质量比空心腔体和翅片腔体分别减少20%和10%，而电压平均提升约8%，相比热管腔体和无相变装置提升约22%，表明蜂窝腔体为最佳相变散热器结构。在相变材料作为热源提供反向温差时，含有相变散热器的装置可提升电压20%，同时可在无外部热源环境中，有效供电时长提升约220%。当输入电压大于20 mV[2]时，即可启动无线传感器网络，4种含有相变散热器的温差发电装置均可以充分满足无线传感器网络的供电需求。

综上，比较分析不同的散热器结构，在含有相变散热器的发电装置中，TEG的热端温度及冷端温度由于相变材料的潜热性能均有提升，同时也提升了TEG两侧温差及开路电压。其中蜂窝状腔体结构作为散热器，具有较快的导热速率，有效降低相变材料内部的温度梯度，在减少填充相变材料质量的同时大幅提升输出电压，有效地提升了TEG的发电性能。

2.2 腔体内部温度变化特性

由于腔体内部结构不同，影响内部相变材料的传热效率，因此对不同散热器相变材料内部温度如图1（b）测试位置所示，对T1、T2、T3进行了测量并与冷端温度进行对比，进一步研究相变散热器内部的温度梯度变化特点。图5中，在0～2 400 s加热循环中，TEG的冷端温度均与T1近似，因为此时电加热器仍然为主要热源;在2 400 s后，Tc与T3近似，此时电加热器断电，相变散热器变为装置的主要热源，TEG的冷端温度由热源决定。图5（a）为蜂窝腔体的內部温度变化，由于蜂窝结构，内部由铝制网格均匀快速传热，内部传热温度均等，可达到最高温度为83 ℃，比翅片腔体及热管腔体提升17%，并较快达到温度峰值点。

图5（b）和图5（c）分别为翅片腔体和热管腔体的内部温度变化，两种腔体的峰值温度均为72 ℃，均可缩小冷端温度的波动范围。翅片腔体的末端温度T3（即靠近TEG冷端）与蜂窝腔体末端温度紧随T1、T2变化的趋势一致，但存在明显的波动，这是因为金属的导热能力远超过相变材料，在蜂窝状腔体中，铝制壳体四面的热量通过铝制网格同时向末端传递，而在翅片腔体两侧壳体的热量主要通过相变材料向末端传递。

在图5（c）中，热管腔体的中心温度变化速率略低于两侧温度T1、T3，这是由于微型平板热管的导热速率低于铝。但在热管腔体进行反向供热的3 000～10 800 s中，腔体内部降温速率低于蜂窝腔体和翅片腔体。与空心腔体（图5（d））相比，微型平板的嵌入，有效地提升了中心温度T3的升温速率，并更快达到相变材料的熔点。

空心腔体内部温度变化（图5（d））明显不同与其他3种腔体结构，T1比中心温度T2平均高34%，比末侧温度T3平均高14%。这是由于相变材料较低的导热率导致，铝制壳体在加热环境下，温度先于相变材料上升，内部相变材料通过铝制壳体的热传递，温度均匀上升。但在加热过程中心温度T3为匀速上升，在冷却过程中，表现出明显的相变材料温度特性。

因此，4种腔体结构均可缩小TEG冷端温度的波动范围。蜂窝状腔体内部由于其网状结构使得温度变化速率快、峰值温度较高，且四处温度差值较小，具有最小的温度梯度，因此该导热结构为最佳方案。热管的嵌入可以有效地克服相变材料导热率较低的缺点，提升相变材料在加热过程中的热传递速率。

3 结论

本研究为改善环境监测中温差发电装置转换效率低、发电时间短的问题，设计了4种相变散热器。通过试验研究了相变散热器对发电装置发电特性及温度特性的影响，并研究了腔体内部相变材料的温度传递特性，主要结论如下。

（1） 相变散热器平均提升半导体温差发电装置的两侧温差约42%，提高开路电压输出约22%，峰值电压可达1 V。

（2） 断开热源后，相变散热器可反向作为热源，延长温差发电时长220%，反向输出电压可满足启动无线传感器网络20 mV需求。

（3） 合理相变的散热器结构，可克服相变材料低导热率的缺点。蜂窝腔体内部的网状结构可有效地减小相变材料的温度梯度，在扩大温差发电器两端温差和提升输出电压方面，相比其他结构提升约8%～22%，蜂窝状相变散热器更适合作为温差发电装置的散热器。

相变散热器的设计不仅可满足无线传感器网络的持续供电需求，而且可大幅提升温差发电装置的发电特性。

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