基于辐射冷却的超薄柔性热电发电机实现人体热能驱动的自供电蓝牙低功耗传感系统

为解决可穿戴电子设备缺乏紧凑、灵活且可持续能源的问题，研究人员开发了一种集成辐射冷却(RC)层的超薄柔性热电发电机(FTEG)，通过被动增强自然对流下的散热效率，在人体皮肤温度32°C和环境温度26°C条件下实现了3.51 μW/cm2的功率密度，并成功驱动了蓝牙低能耗(BLE)传感模块的无线传输。这项研究为无电池可穿戴设备和自主物联网应用提供了创新解决方案。

　　

随着可穿戴电子设备和无线物联网(IoT)传感器的普及，如何为这些设备提供持续稳定的能源成为关键挑战。传统电池存在寿命有限、需要充电、体积笨重等问题，而人体作为持续的热能来源，为自供电系统提供了理想解决方案。热电发电机(TEG)能够通过塞贝克效应(Seebeck effect)将热能转化为电能，但实际应用中面临两大难题：人体与环境间温差(ΔT)过小（通常仅1-2°C），以及传统散热器会破坏设备灵活性。

针对这些问题，来自泰国国王蒙固技术学院拉卡邦校区的Jakrit Gobpant、Nguyen Van Toan等研究团队在《Sustainable Materials and Technologies》发表创新研究。他们巧妙地将辐射冷却(Radiative Cooling, RC)技术引入柔性热电系统，开发出总厚度仅2.26 mm的超薄柔性热电发电机(FTEG)。这种设计通过被动辐射散热增强温度梯度，同时保持出色的机械柔韧性，成功实现了仅靠人体热能驱动的无线传感系统。

研究团队采用多项关键技术：通过有限元建模优化热阻网络设计；使用高性能Bi_0.5Sb_1.5Te₃(p型)和Bi₂Te_2.7Se_0.3(n型)热电材料；开发硅橡胶模板组装196对热电腿的工艺；集成高发射率(ε≈0.91)的RC层；并构建包含DC-DC转换器和功率管理集成电路(PMIC)的完整能量收集系统。

在结构设计方面，研究通过热等效电路模型量化了RC层对热阻网络的影响。模拟显示，在皮肤温度32°C和环境温度26°C条件下，RC-FTEG可实现1.72°C的ΔT_TE，比石墨片(1.43°C)和无冷却设计(0.96°C)更优。实验验证表明，RC层通过增强辐射散热(Q_rad=2.129 W)弥补了其导热性能(Q_cond=6.028 W)略低于石墨片(Q_cond=6.476 W)的不足，总散热能力达到8.157 W。

性能测试结果令人振奋：在模拟穿戴条件下，RC-FTEG实现了3.51 μW/cm²的功率密度，是石墨片增强设计的1.6倍。机械测试证实，经过500次弯曲循环后电阻变化小于3%，展现出优异的耐用性。系统演示中，研究人员将FTEG与BLE传感模块集成，通过电容储能和阈值控制策略，实现了每7-8分钟充电后持续10秒的数据传输循环。

这项研究的突破性在于：首次将辐射冷却技术成功应用于可穿戴热电系统，在保持超薄柔性(2.26 mm)的同时显著提升性能；通过系统级验证展示了人体热能驱动无线传输的可行性；为无电池物联网设备提供了新思路。未来通过优化热电材料ZT值和混合储能设计，有望进一步推动自供电可穿戴技术的发展。