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    電子設備廢熱利用的新思路:熱電水凝膠
    2020-04-29  來源:高分子科技

      太陽能電池、芯片、LED燈等半導體能量轉換器件在工作過程中,會將大部分輸入能量轉換為熱能,這部分能量通常直接排放到空氣中而造成不小的能量浪費。若能有效地對這部分熱能加以回收利用可大大提高半導體器件能量轉換效率。現有的回收利用手段主要依賴于半導體熱電器件,但當熱電單元依附于發熱元件之后反而會增加器件散熱熱阻,使發熱元件的自身溫度變得更高,并降低器件的能量轉換效率;雖然熱電單元能夠回收一部分電能,但其回收的能量遠遠低于核心能量轉換器件效率降低所帶來的損失,因而熱電單元的使用反而使得器件的整體能量效率降低。因此在考慮這些半導體電子設備的余熱回收時,必須同時兼具高效散熱,才有可能實現效率提升。


      針對這一問題,武漢大學劉抗研究員、胡雪蛟教授聯合加州大學洛杉磯分校陳俊教授設計開發了一種智能熱電水凝膠。水凝膠內部離子的氧化還原反應和水分的蒸發/吸收過程形成兩個獨立的熱力學循環,從而可在熱電轉換的同時實現高效發汗冷卻,如圖1所示。該思路避免了傳統半導體熱電器件在余熱回收過程中無法有效散熱的問題,提供了一種新的電子設備廢熱利用思路。


    圖1. 水凝膠的結構和工作原理


      如圖2所示,該水凝膠呈黃色半透明狀,具有良好的機械性能和較高的含水量。同時該水凝膠具有很好的環境穩定性。它在環境條件下可以長時間的保持自身形態和含水量,克服了傳統水凝膠在環境條件下會持續脫水變干的問題,如圖2。


    圖2. 水凝膠的表征和性質


      同時,該水凝膠具有良好的熱電轉換特性,如圖3所示。其Seebeck系數為1.2 mV/K,有效導電系數在100 mS/cm左右,導熱系數在0.30-0.39 W/(m.K)范圍內。發電功率因子為6.5-12 mW/(mK2)。根據熱化學電池自身的性質,水凝膠的熱電轉換特性仍有很大的提升空間。在不同溫度下,熱電水凝膠的輸出也能保持穩定。


    圖3. 水凝膠的熱電性能


      該水凝膠的另外一個重要特性是水凝膠內氧化還原反應在發生的同時內部的水分可以自由的進出水凝膠。如圖4所示,當溫度升高時,該水凝膠會快速蒸發失去一部分水量;但當溫度下降的時候,水凝膠又會吸收周圍環境中的水蒸氣使自己回復到初始狀態。這一水分的蒸發/吸收的自發熱力學循環,使得該水凝膠薄膜具有很強被動散熱能力,能夠在廢熱回收利用的同時能有效的散熱,保持設備的低溫工作。并且所有這些功能的實現全部集成于一片水凝膠薄膜,能夠被動式運行。


    圖4. 不同溫度下水凝膠內部水分循環過程


      大功率電池在日常生活中應用十分廣泛,但其在快速充放電過程產生的大量熱量容易帶來安全問題。將一片2 mm厚的熱電水凝膠薄膜附著在電池的一面,它成功地將快速放電中的電池溫度降低20 oC,與此同時還可以回收一部分電能,這部分電能可用于電池自身狀態的自驅動監測或系統智能調控,如圖5所示。這些性能展示了該水凝膠在解決電子器件設備的高熱和低品位熱能浪費方面的巨大潛力。


    圖5. 水凝膠在手機電池上的熱能回收及散熱應用


      以上相關研究成果于Nano Letters發表。論文題目:Thermogalvanic Hydrogel for Synchronous Evaporative Cooling and Low-Grade Heat Energy Harvesting。論文第一作者為武漢大學2017級博士生蒲詩睿,武漢大學為論文第一署名單位,該研究得到國家自然科學基金的支持。


      論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00800

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    (責任編輯:xu)
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