港理工陶肖明教授课题组Nano Energy：纤维热电发电机阵列在可穿戴电子应用中的性能预测- 大数跨境

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港理工陶肖明教授课题组Nano Energy：纤维热电发电机阵列在可穿戴电子应用中的性能预测

科学材料站

2020-07-04

导读：本文阐述了在热传导和热辐射条件下，且相应于可穿戴应用的小温差情况下，一维FTEGs和三维FTEG器件的新的理论模型及数值模拟的结果。对FTEGs的输出功率和能量转换效率的影响因素包括纤维维度、热电涂层

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作者：张莉莎，杨宝，林淑萍，华涛

通讯作者：陶肖明*

单位：香港理工大学智能可穿戴研究中心

背景简介

纤维基热电发电机（FTEG）是新型、柔性、大面积、舒适且质轻的固态器件，利用热电效应直接将热能转换为电能。目前，这类器件的输出功率普遍偏低，在可穿戴系统接近体温的小温差（~ 15 K）条件下，约可输出 1 μW/cm2。这类器件是否可为可穿戴微电子设备供能，需要回答几个关键问题。首先它的输出功率有理论极限吗？如果有是多少？现有技术和理论极限的差距以及提升空间有多大？如何提升？至今没有关于FTEG的工程分析理论，并对上述问题的提供解答。

文章介绍

近日，香港理工大学陶肖明教授课题组在学术期刊Nano Energy上发表题为“Predicting Performance of Fiber Thermoelectric Generator Arrays in Wearable Electronic Applications”的研究工作。

该文建立了该类器件工程设计分析的理论并首次回答了上述问题。提供了一个理论量化方法，用于预测在热传导和热辐射、小温差条件下，由一维纤维发电机阵列构成的三维纤维基热电发电机的性能。

首先，提出一个经试验验证的单纤维发电机单元模型，用于量化材料性质和结构参数对器输出功率和能量转换效率的影响。之后，基于单纤维模型，构建三维纤维基热电阵列发电机模型，用于预测纤维单位填充密度和表面辐射率对其性能的影响。最后，三维纤维基热电阵列发电机模型给出了在不同环境温度下FTEGs穿着于人体背部时输出功率和转换效率的理论上限。

要点解析

要点一：一维FTEG单元模型及验证，由一维FTEG阵列构成的三维FTEG模型。

图1.

（a）示意图：一维FTEG单元与外电阻连接。（b）示意图：FTEG器件被穿着于人体躯干背部及其局部放大。

（c）示意图：一维FTEG阵列的简化单元结构（热端温度为定值，冷端温度不为定值，构成固定-自由端模型）及截面结构。

（d）SEM图：PET长丝。

（e）SEM图：PEDOT: PSS涂于PET长丝表面。（f）涂层厚度和FTEG电压之间的关系。

（g）涂层厚度、内阻和最大输出功率之间的关系。

本文中，模型可以分为两类：一维FTEG单元结构，如图1（a）；由一维FTEG阵列构成的三维FTEG的结构，如图1（c）。图1（f）和（g）通过实验验证了一维FTEG模型的可信性。

模型的条件假设：

（1）电极的温度场等同于与之相接触的热电材料的温度场。

（2）FTEG截面上的温度场分布均匀一致。

（3）不考虑接触电阻和接触热阻。

（4）不考虑热对流。

（5）一维FTEG的表面是灰体表面、发生漫反射且不透明。

（6）不考虑从电极到导线之间的传热。

图1（a）表明了一维FTEG单元是由中部的热电材料涂于芯层长丝及两端的导电材料构成的。其几何参数包括：热电层的厚度和长度、芯层长丝的半径。图1（b）表明一维FTEGs被织于间隔织物而穿着于人体背部。

图1（c）是4根一维FTEG组成的阵列，构成三维FTEG的单元结构，该模型用于研究一维FTEG排列紧密程度对器件性能的影响，排列紧密程度通过相邻两根一维FTEG之间的距离（Δr）控制。

图1（d）和（e）分别是未涂热电材料和涂有PEDOT: PSS（热电材料）的PET长丝。图1（f）说明在PEDOT: PSS涂于PET表面的样品中，涂层厚度与次数基本呈线性关系，虽然涂层厚度增加，但样品的电压在1.00 mV左右。

图1（g）表明各样品的内阻、实验的和数值计算的最大功率。涂层厚度的增加降低了样品内阻，故提高了最大输出功率。此处一维FTEG模型中，冷热端温度均为定值。

要点二：探究几何参数和表面辐射率影响输出功率和能量转换效率的理论极限。

图2.

（a）和（b）是一维FTEG的辐射率为0.5时，几何参数对器件性能的影响；

（c）热电材料厚度和最大功率的关系；

（d）和（e）是一维FTEG辐射率变化时的性能。（f）对一维FTEG阵列，自由端的温度于不同辐射率之间的关系。

（g）对于一维FTEG阵列，最大输出电压于辐射率之间的关系。

（h）对于一维FTEG阵列，在最大输出电压时的转换效率与辐射率之间的关系。（r_f为纤维半径，rf=12.5 μm,25 μm,37.5 μm,50 μm; δ为热电材料涂层厚度，δ=1 μm,10 μm,100 μm；c 是控制参数，c=1,1.5,2,2.5,3，用于确定相邻两根一维FTEG之间的距离 Δr=c∙(r_f+δ)。）

在固定-自由端温度、热传导和辐射条件下：

1) 一维FTEG模型中，输出功率随热电层厚度和辐射率增加而提高；转换效率虽然随辐射率增加而提高，但是其最大值取决于纤维半径和涂层厚度。

2) 三维FTEG模型中，减小相邻一维FTEG的间距有利于提高器件性能。

固定-自由端是指在高温端的温度为定值，而低温端的温度不为定值，其值是热传导和辐射的结果。图2（a），（b），（d）和（e）是一维FTEG在热传导和辐射条件下的输出功率和转换效率。根据热电层的不同厚度，图2（a）和（b）中的曲线可以分为三组。热电层越厚，最大输出功率越高。然而，转换效率并非随着热电层厚度增加而增加。较高的转换效率出现在热电层厚度为10 μm的情况，尤其是当纤维半径为12.5 μm时，转换效率达到最大值。

这是热传导和热辐射同时作用产生的效果，如图2（c）所示。当纤维半径为12.5 μm时，增加热电层厚度，最大转换率先急速增大后逐渐减小，且在热电层厚度为10 μm时达到最大值。当厚度小于10 μm时，相对于热辐射造成热损失而言，增加厚度所带来的主要影响是提高输出功率。但当厚度大于10 μm时，增加厚度所产生的主要影响是通过热电层的热传导和辐射使自由端温度上升，导致冷热端温差变小。

图2（d）和（e）中，热电层厚度和辐射率共同决定了最大输出电压和相应的能量转换率的大小。当辐射率变大、其他条件不变时，输出功率和转换率均有提高。综上所述，如果目标只是提高器件的输出功率，尽可能增大热电层厚度即可。然而，如果在提高功率的同时考虑能量转换效率，则需选择合适的纤维半径和涂层厚度。此外，提高热电层表面的辐射率是一种可以改善器件性能的方法。

图2（f）表明当一维FTEG阵列提供最大输出功率时，对于具有不同控制参数的模型，自由端温度与辐射率之间呈线性关系。

自由端的温度直接决定了器件的输出功率和能量转换率，如图2（g）和（h）所示，当控制参数不变时，最大输出功率和能量转换率随辐射率的增大而提高；但若辐射率相同，两者随控制参数的增大而减小。因此，在一维阵列中，增大辐射率不会对器件性能造成数量级的影响。此外，减小相邻一维FTEG的间距有利于提高器件性能。

要点三：探究不同材料和温差影响输出功率和能量转换效率的理论极限。

图3.

不同热电材料构成的阵列器件的性能：

（a）自由端温度与不同环境温度之间的关系。（b）在最大输出功率条件下，能量转换效率与环境温度的关系。

（c）环境温度与一维FTEG阵列的最大输出功率（左轴）、单位面积最大功率（右侧内轴）和穿着于人体背部面积（0.208 m2）时的最大输出功率（右侧外轴）之间的关系。

以Ag2Se作为热电材料，在环境温度为15 ℃时，三维FTEG穿着于人体背部（35 ℃）最大可输出的单位面积功率约为96.2 μW/cm2。

图3用上述三维FTEG模型（c=1，辐射率为0.5）对不同热电材料构成的器件在不同环境温度下的性能进行了阐述，此处热端温度固定为人体背部温度，冷端为自由端。

图3（a）中，当材料为rGO时，器件自由端温度高于其他材料，这是因为rGO的导热率比其他几种材料的导热率高。而rGO的Seebeck系数却比其他几种材料小，所以rGO制备的器件的最大输出功率比其他材料低，如图3（c）。最大输出功率决定于材料性质和温差。

与rGO截然不同的是Ag2Se，该器件的最大输出功率和转换效率均优于其他材料构成的器件。由图3（b）和（c）可知，三维FTEG具有供能血压传感器和其他小型电子设备如蓝牙发射器的潜力。

结论

本文阐述了在热传导和热辐射条件下，且相应于可穿戴应用的小温差情况下，一维FTEGs和三维FTEG器件的新的理论模型及数值模拟的结果。对FTEGs的输出功率和能量转换效率的影响因素包括纤维维度、热电涂层的厚度、阵列排列密度和表面辐射率。

对皮芯结构的一维FTEG单元的理论模型，在热传导条件下进行了实验验证。数值计算的结果表面在一维FTEG单元中，对输出功率产生影响的最主要的因素是热电涂层的厚度。对三维FTEG器件，较低的排列密度导致较低的输出功率和能量转换效率。最后，当器件穿着于人体躯干背部时，在不同的环境温度条件下，模型计算得出了由不同热电材料制备的FTEG阵列器件的性能的理论上限。如，一个理想的三维FTEG器件，Ag2Se作为其热电材料，在环境温度为15 ℃时，可以产生的最大输出功率约为0.2 W。

该定量研究的方法可以作为工程设计和评估的工具，从而为可穿戴应用的FTEGs优化提供指导，使研发变得更高效、更快速。

文章链接:

Predicting performance of fiber thermoelectric generator arrays in wearable electronic applications

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520306959?via%3Dihub#fig1

课题组介绍:

https://www.polyu.edu.hk/itc/itcproftao/