基于翅片结构优化的环境温差能采集热储特性分析

蔡 阳，周泽宇，黄晓燕，邓杰泓，赵福云

（1暨南大学国际能源学院，广东 珠海 519070；2武汉大学动力与机械学院，湖北 武汉 430072）

近年，智慧建筑中逐渐庞大的物联网系统使建筑能耗大大增加，全球约30%的能源和60%的电力用于建筑供能[1-2]。Haras 等[3]预测化石燃料的自由储量将在50 年内消耗殆尽。有限化石燃料储备和全球气候变化问题使替代清洁能源的找寻迫在眉睫[4]，以维持智慧建筑可持续高速发展。自然环境中每时每刻蕴藏着巨大的热能，环境热能是一种具有高利用价值的可持续清洁能源，但同时作为低品位热源，采集和利用难度较大[5]。TEG利用Seebeck效应，收集环境温差能发电而不产生噪声和污染[6]，在实现绿色物联网节点方面具有相当的潜力。

目前，国内外已有较多研究将热电发电技术运用于IoT系统的传感器供能。Mona等[7]利用安装在浸入热水浴中的传热通道中的聚合TEG 模块，为用于温泉监测物联网(IoT)系统提供电能；Lin等[2]提出一种新型热电供电的无线传感器网络平台，通过热电能量收集和超低功耗管理，实现建筑围护结构内低成本的环境感知。但传统TEG 在自然环境下的产能和转化效率仍然有待突破，以增强其应用于物联网系统时的设备供电潜力[3]。

为了提高性能，大量学者对热电系统结构的改进进行探索。增强换热能力和增加蓄热装置是较为主流的优化思路，其中比较有代表性的改进方案为环形拓扑热电与相变的耦合。环形拓扑使ATEG与环境有更大的接触面积，而PCM 能利用其相变时的潜热在冷热端实现蓄放热、控温等功能。蔡阳等[8]对环形热电的研究表明，当无因次制冷量从0.07 增长到0.09 时，环形热电制冷系统提升了近20%。Selvam 等[9]建立了热电冷端耦合相变的模型，当在热端施加0.1 W 的恒定热源时，发电效率提高36.7%。将两种改进方式相耦合，有望使两种结构优势相互结合，进一步提高TEG 系统的性能。

由于PCM填充层中存在热过渡区，熔化过程不均匀，会对热量在PCM层间传递产生阻碍，影响蓄放热效果；表层PCM首先熔化，温度升高，对冷端的温控效果降低，从而影响相变热电系统的发电性能。在相变层中填充翅片是较佳的解决方案，能够在增大相变层与冷端传热面积的同时，使垂直热流方向上的相变均匀性得到提高。Manikandan等[10]将PCM集成在CPV模块的背面，当PCM高度为3 mm，CR为3 时，在PCM 熔化期25～120 s 内保持CPV 温度恒定；Arshad 等[11]的研究表明，与没有翅片但PCM 填充的散热器相比，PCM 填充的板翅式散热器降低了散热器的基础温度，提高了PCM 熔化的均匀性。

相变热沉蓄热性能的提升对改进ATEG-PCM耦合系统发电性能具有重要的影响，而现有的研究对相变热电耦合系统中翅片结构优化的探究较少。本工作对一种基于相变型环形热电技术的环境温差能自供电装置进行翅片结构优化研究，通过增强相变热沉蓄放热和控温性能，实现系统发电性能的进一步提高。本工作利用COMSOL6.0建立瞬态条件下该装置的热力学模型，在室温变化规律边界基础上，探究热沉中不同翅片结构、相变/翅片角度比、相对相变高度下热沉热储特性的变化，并对装置的热流传递过程和能量采集性能进行对比分析。本研究有望为ATEG-PCM 耦合系统中翅片结构的优化设计提供参考，并进一步提高环境温差能采集装置的热储发电潜力，为全面构建绿色物联网节点打下基础。

1 基于翅片结构优化的环境温差能采集装置

1.1 装置结构

环境温差能自供电装置模型结构与尺寸如图1所示，外侧为由PN 结组成的闭合环形热电组，环内为填充有PCM 的圆状翅片热沉，翅片由圆心发散至热沉外沿。装置外侧热端陶瓷与环境发生热传导，通过环境温度的变化在冷热端产生温差，并利用PN 结中的Seebeck 效应将温差能转化成电能，可用于传感器等小型节点装置日常工作供能。圆状翅片相变热沉能够控制冷端温度的上升，并储存与再利用冷端余热。翅片的加入和结构优化，能够减小PCM与PN结间的热阻，加速传热过程，从而使热沉的控温和蓄热性能提升，进而进一步加强装置的能量采集性能。

图1 环境温差能采集装置Fig.1 Environment thermal energy harvest device

本研究采用的模型中，PN结对数为3对，采用的物理材料为碲化铋Bi2Te3。本工作中HTEG=1 mm。根据圆状翅片相变热沉的结构特点，翅片所占有的体积分数用翅片和其与相变对圆心的夹角之比表征：

为表征PCM 在热沉中的相对高度，定义无量纲相变高度因数为PCM高度与热沉半径的比值：

1.2 装置数学模型

1.2.1 热电部分

本工作研究瞬态条件下相变型环形热电自供电系统的动态特性，在ATEG中，其控制方程可由以下方程描述：

式中，ρ为材料密度，kg/m3；cp为材料比热容，kJ/(kg·K)；q为通过傅里叶热传导和帕帖尔热产生的热通量，W/m2；Q为内部产热，W/m3；σ为材料电导率；S为塞贝克系数；J为电流密度，A/m2；P为Peltier系数。

当冷热端存在温差时，ATEG利用半导体材料的Seebeck效应将温差能转化为电能，装置的开路电压和系统中通过的电流可表示为：

1.2.2 相变部分

当PCM 体积很小且忽略内部产热时，相变过程的控制方程为[12]：

根据Hong 等[13]的研究，PCM 的比热容取决于其温度。假设PCM 温度小于Tm-∆Tm/2 视为固态，大于Tm+∆Tm/2 视为液态，其中Tm和∆Tm分别为PCM 的熔化温度和固液转换的温度区间。等效比热容cp可计算为：

式中，θs和θl分别为PCM的固相分数和液相分数，且有θs+θl=1；cp,s为固态PCM比热容，J/(kg⋅K)；cp,l为液态PCM比热容，J/(kg⋅K)。

1.2.3 评价指标

环境温差能采集装置的能量采集性能和热储发电潜力以输出功率、翅片效率[14]、能量效率和有效产能为评价指标，分别为：

1.3 模型设置与假设

式中，dt=15 K，温度波动极差；T=100 min，正弦变化周期；t0=295 K，温度波动中点。

环境温差能采集装置各材料物性参数见表1，Bi2Te3热物性参数随温度的变化规律与其他元件物性参考Meng等[15]的研究。

表1 环境温差能采集装置各材料物理性质Table 1 Physical properties of various materials of the environment thermal energy harvest device

基于本研究有以下假设：

（1）研究在三维瞬态热传导下进行。

（2）不考虑相变层对流和内部产热。

（3）考虑热电材料的物性参数随温度的变化。

（4）除了相变散热器外侧与环境的对流传热，其他对环境的传热被忽略。

同时辅以人工投饵如麦麸、豆饼、嫩青绿饲料、瓜、薯、野杂鱼肉、螺蚬蚌肉、蚯蚓、动物下脚料。根据小龙虾昼伏夜出的习性，每天投喂两次，以傍晚为主，占全天投喂量的70%。针对小龙虾游泳能力差活动范围小及习惯占地的习性，采取四定投饵，均匀投喂使每只虾都能吃到，饵料应投在池塘四周，并适当分散，小龙虾集中的地方适当多投些，以利其摄食，促进均衡生长。

2 网格独立性与模型验证

2.1 模型验证

环形热电验证部分ATEG 对数N=60，冷热端设置为第1 类边界条件，温度分别为298.15 和498.15 K；在相变验证部分，热端设置为第2类边界条件，热通量恒为0.03 W，冷端对流换热系数h=5 W/m2。验证结果如图2 所示，与文献[9,12]具有相同的变化趋势，吻合程度较高，最大误差为6.16%，最小误差仅为0.03%，本工作建立模型具有正确性。

图2 模型验证结果Fig.2 Result of model validation

2.2 网格独立性验证

分别采用网格数为5874、12535、30665、94034、159780的网格进行网格独立性验证。图3结果显示，在不同的网格数下，该过程功率曲线几乎完全重合，可以认为网格对计算的影响较小。为综合准确性和计算效率，本研究采用的网格数量为12325。

图3 网格独立性示意图及结果Fig.3 Grid independence diagram and its results

3 结果与讨论

3.1 不同热沉翅片结构热沉热储和装置能量采集特性

选取4种结构翅片的热沉与无翅片结构进行对比，探究翅片结构对热沉热储特性和装置能量采集性能的影响，模型热沉结构如图4所示。

图4 不同翅片结构热沉Fig.4 Heat sink schematics of different fin structures

由图5、6可知，在两个温度正弦波动过程中，系统出现4个温差峰段和功率峰段。当环境温度提升至相变温度以上，PCM将冷端余热储存于潜热，热沉温度波动较小，抑制冷端温度提升，使冷热端产生正向温差；环境温度降至相变温度以下时，PCM在冷侧释放潜热，从而产生反向的冷热端温差。热沉中加入翅片后，蓄热速率和控温能力显著提升，表征为ATEG冷热端温差增大；翅片密度增大，热沉蓄热速率越高，控温效果越好。这是因为随着翅片密度的增加，其与相变材料的换热面积增加，与冷端的传热速率增大；而且PCM相变均匀性增加，在相同液相率下热沉的温度更低，从而优化了热储和控温效果。

图5 不同翅片结构下装置特性对比Fig.5 Comparison of device characteristics under different fin structures

图6 不同翅片结构下装置能量效率对比Fig.6 Comparison of energy efficiency of devices under different fin structures

采用较大翅片密度热沉的结构，输出功率和能量效率更高，能量采集性能更强。该过程结构Ⅴ功率峰值和能量效率峰值为31.57 μW、0.073%，较结构Ⅰ分别提升283.53%、102.7%。但同时，较快的蓄热速率也导致更快的相变过程，使热沉有效温控的时间变短，ATEG温差峰段和系统功率峰段的宽度变窄；较缓的功率波动也可减小对电路中电子器件的冲击，更好保护器件。因此翅片密度小的结构在较长续航、较小功率需求的应用场景较有优势，而密度大的结构适用于短时间内有较大功率需求的应用场景。

3.2 不同相变/翅片角度比下热沉热储和装置能量采集特性对比

选取4种体积分数下的翅片，探究相变/翅片角度比对装置热储和发电特性的影响。模型热沉结构为结构Ⅴ，相变高度为5.75 mm，翅片体积分数分别为10%、20%、30%、40%。

当系统处于相变储热过程时，相变材料与翅片间温差增大，产生翅片效率峰段；相变储热过程结束后，相变材料温度迅速上升，与翅片温差减少翅片效率下降。由图7、8 可知，随着翅片体积分数减少，系统输出功率提高，翅片效率和装置能量效率也随之提高。当体积分数为10 时，翅片效率峰值与谷值达到0.981、0.476，分别较体积分数40%结构提升6.39%、32.2%；装置功率峰值和能量效率峰值为31.57 μW、0.073%，分别较体积分数40%结构提升49.6%、23.7%。这是因为随着体积分数减少，翅片与PCM 的换热面积反而增大，且小体积分数结构中PCM 体积较大，而翅片体积分数减小对其传热能力影响较小，因此热沉整体蓄热速率增大，对冷端温控效果有所提升，从而增大冷热端温差。同时，热沉中较大体积的PCM 延长了相变蓄热和温控的过程，因此该结构的功率峰段宽度高于大体积分数结构。在设计时，可以通过缩小翅片体积分数，来提高系统的能量采集性能，但该项参数对装置性能的影响较小。

图7 不同相变/翅片角度比下装置特性对比Fig.7 Comparison of device characteristics under different phase change/fin angle ratios

图8 不同相变/翅片角度比下翅片效率和装置能量效率对比Fig.8 Comparison of fin efficiency and energy efficiency of the device under different phase change/fin angle ratios

3.3 不同相变高度因数下热沉热储和装置能量采集特性对比

选取4 个不同PCM 高度的热沉，探究相变填充度对装置热储和发电特性的影响。模型热沉结构为结构Ⅴ，翅片体积分数为10%，h分别为0.478、0.652、0.826、1，对应相变高度分别为2.75、3.75、4.75、5.75 mm。

由图9、10可知，相变高度增加，相变过程中TEG冷热端温差增大，温差峰段更宽，热沉表现出更优、更持久的蓄热和温控性能。h为1 的装置最大冷热端温差为1.86 K，较h为0.478 装置提升41.9%。这是因为在翅片换热面积变化较小的情况下，不仅PCM体积增大能够延长PCM整体的相变时间，较大相变高度还能够减缓表层PCM 优先发生相变后的温度提升。热沉性能的提升导致了装置能量采集性能的提升，此过程中h为1 时装置最大功率和最大能量效率为31.57 μW、0.073%，分别较h为0.478时提高101.4%、43.1%。因此应尽量提高热沉中半径方向相变材料的填充度，以提高系统的能量采集性能。

图9 不同相变高度下装置特性对比Fig.9 Comparison of device characteristics at different phase change heights

图10 不同相变高度下装置能量效率对比Fig.10 Comparison of energy efficiency of the device under different phase change heights

3.4 热流传递和环境温差能热储发电潜力对比

本节将分析环境温差能自供电装置的相变分布和热流传递过程，并对不同翅片结构的装置进行温差能采集和热储发电潜力对比。当环境温度上升至高于PCM相变温度时，PCM发生相变，将冷端余热储存于潜热中，并近似处于恒温状态以抑制冷端升温，使冷热端温差进一步增大，装置产生输出功率峰段；相变完成后，当环境温度降低至相变温度以下，PCM 释放潜热至冷端使冷热端产生逆向温差，装置再次产生功率峰段。PCM 与翅片接触部分蓄热时最先开始熔化，放热时最先开始凝固，固液过渡区向翅片划分区域中心移动。图11结果显示，翅片密度较大的结构整体相变进程较快，且PCM区域中心部分相变进程也变快，结构Ⅴ在18 s时中心液相率高于结构Ⅲ，达到0.38，而结构Ⅰ在20 s时中心液相率仅0.03。表明翅片数量增多能够增大冷端与热沉传热速率，PCM 相变均匀性也有所提高使表层PCM 在相变过程温度波动减小，从而提高了热沉的蓄放热和温控性能。

图11 不同翅片结构液相分布Fig.11 Liquid phase distribution of different fin structures

图12 展示不同结构的装置在此过程中的产能过程。可以看出，在每个产能周期中，较密翅片的结构产能速率快，但持续时间较短；较密翅片结构在一个产能周期内和一个温度变化周期内产能较多，结构Ⅴ在该过程中产能为0.0453 J，较结构Ⅰ提升110.4%，以结构Ⅴ为热沉的装置能量采集与热储发电潜力较大，有望为能耗更多、功能更强大的传感器系统供能。

图12 不同翅片结构能量采集与温差热储发电潜力对比Fig.12 Comparison of energy harvesting and thermal energy storage power generation potential of different fin structures

4 结 论

本工作对一种基于相变型环形热电技术的环境温差能采集装置进行热沉翅片结构优化研究，通过增强相变热沉蓄放热和控温性能，实现对系统能量采集性能的进一步提高。主要结论如下：

（1）翅片密度增大，装置的热储和发电性能提升，结构Ⅴ功率和效率峰值为31.57 μW、0.073%，较结构Ⅰ分别提升283.53%、102.7%。

（2）减小翅片体积分数能一定程度上提高系统的热储和发电性能，体积分数为10%的装置翅片效率峰值和谷值较40%的结构提升6.39%、32.2%；功率和效率峰值较40%的结构提升49.6%、23.7%。

（3）应尽量提高热沉中半径方向相变材料的填充度，以提高系统的热储和发电性能。h为1时装置功率和效率峰值分别较0.478时提高101.4%、43.1%。

（4）结构Ⅴ热沉蓄热能力较强，对应装置的能量采集与热储发电潜力较大，结构Ⅴ在该过程中产能为0.0453 J，较结构Ⅰ提升110.4%，有望为能耗更多、功能更强大的传感器系统供能。