《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Continuous thermoelectric power generation via engineered water-based thermal storage
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摘要对于分布式低功耗电子设备及物联网系统而言，持续供电仍是一个重大挑战。在此，我们展示了一种自维持的热电发电系统，该系统通过利用基于水的热存储技术来维持热电发电机两侧的恒定温度差，从而实现24小时不间断的电力输出。该系统采用一种经过设计的开闭式水循环结构，将热能存储与蒸发冷却相结
摘要
对于分布式低功耗电子设备及物联网系统而言，持续供电仍是一个重大挑战。在此，我们展示了一种自维持的热电发电系统，该系统通过利用基于水的热存储技术来维持热电发电机两侧的恒定温度差，从而实现24小时不间断的电力输出。该系统采用一种经过设计的开闭式水循环结构，将热能存储与蒸发冷却相结合，使得在真实的户外环境中仍能保持稳定的温度梯度并实现持续运行。实验结果表明，在整个昼夜周期内，热电发电机两侧能够始终保持至少4.7±1.1℃的温差，因此其功率密度可超过42±0.8毫瓦每平方米。重要的是，所获得的能量足以让物联网设备在没有外部电源的情况下连续运行24小时。这一方案为持续热电能量收集提供了一种可扩展且维护成本极低的解决方案，凸显了基于水的热存储技术在自供电传感器及低功耗电子设备中的应用潜力。
引言
物联网的快速发展推动了大量自主感知与监控节点的部署，而这些节点需要依赖独立于有线基础设施的可靠电源[1]。虽然传统电池被广泛使用，但由于其使用寿命有限且存在环境危害，在偏远或难以维护的环境中应用存在诸多问题[2]。在炎热干燥的地区，较高的环境温度会进一步加速电池老化，缩短其使用寿命，进而增加维护频率和整体成本。因此，人们越来越关注用于自主电子设备的替代性自维持能量收集技术[3]、[4]。
被动能量转换技术作为一种可持续且自维持的供电方案，已被广泛研究。这类技术旨在将太阳能辐射、机械运动以及环境振动等随处可见的环境能源转化为电能，无需外部输入能量或消耗燃料。典型的例子包括光伏技术[5]、[6]、摩擦电发电机[7]、[8]以及压电装置[9]、[10]，这些技术都已展现出为低功耗电子系统供电的能力。尽管前景广阔，但这些技术都存在一些固有局限，使得它们在实际运行条件下难以实现持续稳定的能量输出。例如，基于硅太阳能电池的光伏系统的转换效率虽已超过26%[11]，但其功能仍受昼夜光照条件的限制。而摩擦电和压电装置则只有在存在振动、人类活动或风等机械刺激时才能产生电能，而这些刺激通常是间歇性的。
相比之下，热电技术则提供了一种固态解决方案，只要热电发电机两侧存在温度差，就能直接将热量转换为电能[12]、[13]。这种能量转换原理源于塞贝克效应，即热电材料中的载流子会在温度梯度作用下从高温侧向低温侧扩散，当与外部电路连接时便会产生电势。由于热电发电机没有运动部件、运行安静且可靠性高，因此很受人们青睐，被广泛应用于为低功耗电子设备及分布式系统供电[14]、[15]。只要能够维持稳定的温度梯度，热电装置就能持续输出电能，这使其特别适合用于无需维护的自主能量收集应用[16]。近期的一些研究已经证明，利用土壤与周围空气之间的自然温度差等现有温度梯度所产生的热电能量，可以为无线传感器节点及物联网设备供电，从而实现偏远地区的长期离网监测[17]、[18]、[19]。然而，在不断变化的自然环境条件下实现持续稳定的温度梯度，依然是一个核心难题。
最近的进展表明，通过使用特殊的选择性光热薄膜，可以实现24小时不间断的电力生成[20]、[21]、[22]。不过，那些仅依靠辐射效应和光谱选择性设计的系统，其夜间最低功率密度往往低于5毫瓦每平方米。这一能量阈值造成了较大的性能差距：虽然足以驱动低功耗的演示电路，但却无法支持功耗更高的物联网模块，也无法提供足够的照明。因此，如何设计出能够为实际应用提供足够能量的被动式连续供电方案，仍然是一个重要的研究课题。
在本研究中，我们通过将光热水存储技术与蒸发冷却相结合，构建了一种自维持的24小时供电方案，以此在热电发电机模块上维持恒定且单向的温度梯度。与传统方法不同，所提出的架构有效解决了昼夜温度反转的问题，使得电力生成能够在统一的热管理框架下持续进行。该系统的功率输出相比以往报道的被动式连续热电系统高出近一个数量级。这一性能提升已通过远程数据记录装置及高亮度LED设备在无间断运行中的表现得到了实验验证，为实际应用中的自维持电子设备提供了可行的实现方案。
本研究首先从基本的能量平衡模型出发，逐步发展出了用于自主发电的完整原型。我们首先建立了全面的热模型，用于分析非对称热电发电机结构中的瞬态温度分布及热流矢量。这一分析框架有助于优化水储罐的热容量，确保系统在从太阳能充电过渡到夜间放电的过程中仍能保持足够的温度差。基于这些模型分析结果，我们进入了实验阶段，通过在真实的户外环境中测试，评估了该装置48小时内的稳定性及功率密度。文章最后通过一个实际的物联网应用案例，展示了该系统无需依赖外部化学电池，即可持续为数据采集模块及照明组件供电的能力。
章节要点
计算框架与系统特性分析
图1(a)展示了所提出系统的概念架构及工作原理。该系统配备有一个顶部安装的太阳能吸收器，它将收集到的热能传递给位于热电发电机高温侧的集成式封闭式水基热存储装置。为减少热量散失，高温侧组件被封装在聚碳酸酯制成的热防护罩中，该防护罩既能抑制热量向周围空气的对流传递，还能减少其他不必要的热量损失。
结果与讨论
为验证前文提出的理论框架及参数分析结果，我们制作了实物原型并在实际环境中进行了测试。本节详细介绍了实验配置，展示了热电发电机系统的实际性能，并通过真实负载测试评估了其用于持续供电的实用价值。
总结与结论
总之，本研究通过开发一种能够实现24小时不间断供电的热电架构，为自主能量收集技术带来了重大进步。通过巧妙设计一种结合了水基热存储与蒸发冷却功能的开闭式水储系统，我们成功维持了持续的温度梯度，从而弥补了传统系统在夜间供电方面的不足。
作者贡献说明
Abdulrahman M. Alajlan：原文撰写、可视化处理、结果验证、项目监督、软件开发、资源协调、项目管理、方法设计、研究实施、资金筹集、正式分析、数据整理、概念构思。Saad Alrezihy：资源协调、研究实施、数据整理。Raid Almattairi：资源协调、研究实施、数据整理。Musaad Alotaibi：资源协调、研究实施、数据整理。Fahad Alasfoor：资源协调、研究实施、数据整理。Julian David Hunt：文章审稿与修改。
利益冲突声明
Abdulrahman M. Alajlan、Saad Alrezihy、Raid Almattairi、Musaad Alotaibi以及Fahad Alasfoor是本文所述研究成果相关专利申请的发明人，该专利归沙特阿卜杜拉齐兹城市科学技术院所有。各位作者声明，他们不存在其他可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
作者们要感谢Hussam Qasem在研究过程中给予的宝贵帮助与建议。
Abdulrahman M. Alajlan|Saad Alrezihy|Raid Almattairi|Musaad Alotaibi|Fahad Alasfoor|Julian David Hunt|Yoshihide Wada
