CN114566475A - 基于相变材料回收电子元器件余热的离子热电装置 - Google Patents

Abstract

本公开揭示了一种基于相变材料回收电子元器件余热的离子热电装置，包括：导热模块、发电模块和储放热模块；其中，所述导热模块用于将电子元器件产生的余热传导至发电模块，使得发电模块内部形成正向温度差以实现热电能量转换，在发电模块实现热电能量转换的同时，电子元器件产生的余热进一步传导至储放热模块；所述储放热模块用于将经由所述导热模块传导的余热作为潜热进行存储，并在电子元器件不产生余热的情况下，通过释放潜热使得发电模块内部形成逆向温度差以实现热电能量再次转换。

Description

基于相变材料回收电子元器件余热的离子热电装置

技术领域

本公开属于能量回收利用技术领域，具体涉及一种基于相变材料回收电子元器件余热的离子热电装置。

背景技术

余热等低品位热能的利用，对解决能源危机至关重要。最为典型的低温余热资源为电子元器件散热的热量。由于功率器件向小型化、轻量化、结构紧凑化、运行高效化的方向发展，电子元器件也相应地在限定的体积下进行大功率、长时间、高负荷地运转。因此，功率器件工作时会产生大量的热量并将热量传递给外界或周围器件。电子设备正常运行时，内部电子元器件的温度在100℃以内，将电子元器件产生的余热进行热电能量转换，以实现能量回收利用的目的。

已有的热电能量转换技术主要是基于塞贝克效应的电子热电能量转换装置。当一对温差电偶的两结处于不同温度时，热电偶两端的温差电动势就可作为电源。然而，电子热电型材料一般为半导体材料，导电聚合物等。尽管它们有着高电导、持续稳定等优点，但其塞贝克系数较低，加工困难、环境不友好。而随着对离子扩散机理研究的不断完善与对离子热电效应研究的不断深入，离子热电能量转换越来越受到人们的关注。离子热电型材料的塞贝克系数一般从一到数百毫伏每开尔文不等，远远高于电子热电型材料的塞贝克系数。得益于电解质溶液的易于制备、可被广泛使用、成本低等优势，以电解质溶液为热电介质的离子热电能量转换有望成为回收低温余热的热电能量转换的主力军。

另外，相变材料作为一种新型节能环保材料，储能密度高，能够在恒定温度储存与释放热量，可以解决能量供求双方导热失去温度差等问题。将其应用辅助于离子热电发电装置来维持热量的匹配具有深远的应用价值。因此基于相变材料回收电子元器件余热的离子热电装置来进行能量回收利用已成为必然趋势。

背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种基于相变材料回收电子元器件余热的离子热电装置，通过相变材料的相变反应对电子元器件的余热进行吸收和释放从而实现热电能量的循环转换。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种基于相变材料回收电子元器件余热的离子热电装置，包括：导热模块、发电模块和储放热模块；其中，

所述导热模块用于将电子元器件产生的余热传导至发电模块，使得发电模块内部形成正向温度差以实现热电能量转换，在发电模块实现热电能量转换的同时，电子元器件产生的余热进一步传导至储放热模块；

所述储放热模块用于将经由所述导热模块传导的余热作为潜热进行存储，并在电子元器件不产生余热的情况下，通过释放潜热使得发电模块内部形成逆向温度差以实现热电能量再次转换。

优选的，所述发电模块包括第一储液池和第二储液池，所述第一储液池和第二储液池之间设置有多孔介质膜。

优选的，所述多孔介质膜的表面带电且具有双电层屏蔽效应，可实现离子的选择性定向迁移以形成离子通量。

优选的，所述第一储液池内设置有第一电极，所述第二储液池内设置有第二电极，当离子通过所述多孔介质膜在所述第一储液池和第二储液池之间定向迁移时，电子在第一电极和第二电极之间流动形成输出电流。

优选的，所述导热模块包括导热片，导热片上设置有散热槽。

优选的，所述导热片包括且不限于石墨导热片、硅橡胶、绝缘导热胶或导热硅脂。

优选的，所述储热模块采用相变材料，所述相变材料通过反复发生相变反应使得发电模块循环实现热电转换。

优选的，所述相变材料为低温相变材料。

优选的，所述相变材料包括且不限于结晶水和盐、石蜡、脂肪酸或多元醇。

本公开还提供一种基于相变材料回收电子元器件余热的发电方法，包括如下步骤：

S1：在电子元器件工作期间，其产生的余热经导热模块传导至发电模块，使得发电模块内形成正向温度差实现热电能量转换，在发电模块实现热电能量转换的同时，电子元器件产生的余热进一步传导至储放热模块；

S2：在电子元器件不工作期间，储放热模块释放其所存储的余热并传导至发电模块，使得发电模块内形成逆向温度差实现热电能量再次转换。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、本公开利用电子元器件的余热实现能量的回收利用，具有清洁、绿色、环保的好处；

2、本公开采用的相变材料可实现潜热储能的效果，在电子元器件工作时，维持较大的温度差，提高发电功率和效率；在电子元器件不工作时，可释放潜热作为热源，延长发电时间；本发明通过相变材料吸热、放热的自动控制使得离子循环迁移，形成闭合循环，不需要外界输入能量。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种基于相变材料回收电子元器件余热的离子热电装置的平面结构示意图；

图2是本公开另一个实施例提供的一种基于相变材料回收电子元器件余热的离子热电装置的三维立体结构示意图；

图3是本公开另一个实施例提供的一种基于相变材料回收电子元器件余热的离子热电装置的多孔介质膜选择性示意图；

图4是本公开另一个实施例提供的一种基于相变材料回收电子元器件余热的离子热电装置中离子迁移情况；

图5是本公开另一个实施例提供的在相变材料放热时发电装置中离子迁移情况；

图6是本公开另一个实施例提供的不同工况下多孔介质膜的单纳米通道发电情况的数值模拟示意图；

附图标记说明如下：

1、相变材料；2、第二储液池；3、多孔介质膜；4、第一储液池；5、散热槽；6、导热片；7、包材；8、电子元器件；9、外电路；10、第一电极；11、第二电极。

具体实施方式

下面将参照附图1至图6详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。

一个实施例中，如图1、图2所示，本公开提供一种基于相变材料回收电子元器件余热的离子热电装置，包括：导热模块、发电模块和储放热模块；其中，

所述导热模块用于将电子元器件8产生的余热传导至发电模块，使得发电模块内部形成正向温度差以实现热电能量转换；

所述储放热模块用于储存所述导热模块传导的余热，并在电子元器件8不产生余热的情况下，通过释放其所存储的热能使得发电模块内部形成逆向温度差以实现热电能量再次转换。

本实施例中，电子元器件8包括功率电阻、电容、二极管、三极管、晶振、集成电路和芯片等常见的元器件，电子元器件8外设置有包材7，起到对电子元器件8进行散热以及防电磁干扰等作用。当电子元器件8工作产生余热时，余热使得发电模块内部形成温度差导致离子发生定向迁移，从而产生电能，产生电能的同时，剩余余热进入储放热模块作为潜热进行储存；当电子元器件8不工作时，储放热模块作为热源对所存储的潜热进行释放，潜热使得发电模块内部形成与之前方向相反的温度差导致离子发生反向的定向迁移，从而形成闭合循环发电。本实施例所述方案不需要外部能量输入，即可实现对外供电、电子元器件8自供电、储电等多重效应。

此外，需要说明的是，为了防止储放热模块因电子元器件8长时间不工作导致其内没有潜热而导致循环发电中断，因此，需要提前计算好电子元器件8的工作时间与工作间隔，并且通过控制储放热模块所存储的潜热的用量即可延长发电时间以涵盖整个工作间隔。

另一个实施例中，如图1至图3所示，所述发电模块包括第一储液池4和第二储液池2，所述第一储液池4和第二储液池2之间设置有多孔介质膜3。

本实施例中，当电子元器件8工作时可由焦耳效应产生热量，该热量通过导热模块传递至第一储液池4内使得第一储液池4内的溶液温度高于第二储液池2内的溶液温度，从而形成温度差，通过温度差驱动第一储液池4内的离子选择性通过多孔介质膜3流向第二储液池2，从而形成离子通量，随着第一储液池4内的离子持续性的向第二储液池2定向迁移，使得第一储液池4内的溶液浓度逐渐小于第二储液池2内的溶液浓度从而形成与温度差方向相反的浓度差，此时，外电路电子从第一电极10流向第二电极11形成输出电流，实现热电能量转换，在热电能量转换的同时，电子元器件8所产生的富余热量被传递至储放热模块进行存储。

当电子元器件8停止工作时，储放热模块开始释放潜热，使得第二储液池2内的溶液温度高于第一储液池4内的溶液温度从而形成温度差，该温度差与两个储液池之前形成的浓度差协同驱动第二储液池2内的离子选择性通过多孔介质膜3迁移至第一储液池4从而形成离子通量，外电路电子从第二电极11流向第一电极10形成输出电流，进而实现循环发电。

需要说明的是，储液池内的溶液包括但不限于氯化钠溶液，氯化钾溶液以及水溶性聚合物复合氢氧化钠溶液等，还可以向溶液中添加铁氰化物、三碘化物等氧化还原混合溶液，形成的氧化还原电势叠加离子热电势可获得更大的输出电势。

还需要说明的是，如图3所示，所述多孔介质膜3的表面带负电，表面形成双电层，双电层重合带来的屏蔽效应可使多孔介质膜具有离子选择性，实现吸引阳离子而排斥阴离子的效应。其制备材料包括氧化石墨烯、碳纳米管、金属碳氮化物膜、添加纤维材质等的多孔膜等，其结构包括但不限于通过表面修饰、组合等效果形成的锥形通道结构、复合通道结构或异形结构。

进一步的，为实现双电层重合和离子选择性的目的，需要确定不同溶液浓度下所需的多孔介质膜的最大平均通道半径。

多孔介质通道双电层厚度一般为几个德拜长度λ_D，德拜长度λ_D表达式如下：

其中，ε为介电常数(F/m)，R为通用气体常数(J/(mol·K))，T为温度(K)，F为法拉第常数(C·mol)，C_i为第i种离子的浓度(mol/m3)，z_i为第i种离子的价态。

假设浓度变化范围为1～1000mM的氯化钾溶液，多孔介质膜3内的平均温度为333K，氯化钾溶液的介电常数取相应温度下水溶液的数值，多孔介质内通道双电层厚度为5倍的德拜长度，则双电层厚度的变化范围为1.50～47.95nm。为保证通道两侧双电层完全重合而具有良好的选择性，氯化钾溶液浓度变化范围为1～1000mM，多孔介质膜3的最大平均通道半径区间为1.50～47.95nm，与浓度值一一对应。通过选择适合通道半径的多孔介质膜3，可适应不同浓度下的工作介质，提高离子热电转换效率。

另一个实施例中，如图4、图5所示，所述第一储液池4内设置有第一电极10，所述第二储液池2内设置有第二电极11，当离子通过所述多孔介质膜3在所述第一储液池4和第二储液池2之间定向迁移时，电子在第一电极10和第二电极11之间流动形成输出电流。

本实施例中，所述第一电极10和第二电极11通过外电路9相连，该外电路9包括整流电路、工作电路和负载等，结合第一电极10和第二电极11以实现对外供电、电子元器件8自供电以及储电等目的。

另一个实施例中，所述导热模块包括导热片6，导热片6上设置有散热槽5。

本实施例中，导热片6与位于电子元器件8外的用于对电子元器件8进行包覆和保护的包材7以及与散热槽5同时紧密贴合，以减少接触电阻。导热片6可采用石墨导热片、硅橡胶、绝缘导热胶或导热硅脂等材料制备，以满足与包材7的热匹配性。此外，散热槽5的设置，可以增加导热片6的传热面积，将热量更多的向发电模块传导，从而提高换热效率。散热槽5整体嵌入第一储液池4内，其结构包括但不限于直肋、针肋等结构，其与第一储液池4之间也可通过增加导热片来减少接触热阻。

另一个实施例中，所述储放热模块采用相变材料1，所述相变材料1通过反复发生相变反应使得发电模块循环实现热电转换。

本实施例中，通过采用相变材料1作为储热和放热的热源可以协同储液池之间形成的浓度差驱动离子输运获得更大的功率和效率，下面通过具体分析对该结论进行论证：

离子通过多孔介质膜在储液池之间迁移形成的离子通量由能斯特-普朗克方程决定：

其中，J_i为第i种离子的离子通量(mol/(m²·s))；u为速度(m/s)；D_i为第i种离子的扩散系数(m²/s)；φ为电势(V)；α_i为第i种离子的简化Soret系数，式中第一项为对流项，第二项为扩散项，第三项为电迁移项，第四项为热迁移项。

由以上方程可知，热电能量转换的动力为温度差，温度差越大，离子通量越大，发电效果越好，故采用相变材料1控温可以获得更大的温度差。因为扩散项、电迁移项、热迁移项的系数一致，所以当电子元器件8处于工作状态时，如图4所示，离子由第一储液池4定向迁移至第二储液池2，而且会形成浓度差以平衡温度差。当电子元器件8停止工作，且电子元器件8的温度降至相变材料1的熔点以下，相变材料1开始释放潜热，形成第二储液池2到第一储液池4的温度差，如图5所示，温度差协同已存在的浓度差使得离子从第二储液池2迁移到第一储液池4。

通过以上论证，能够证明采用相变材料1作为热源可以协同浓度差驱动离子输运获得更大的功率和效率。

另一个实施例中，所述相变材料1为低温相变材料。

本实施例中，应当选择熔点高于环境温度且低于电子元器件8工作温度的相变材料，其原因在于：若相变材料的熔点低于其所处环境的温度，那么相变材料就会吸收环境热量进行相变而无法对余热进行存储，因此，选择熔点高于环境温度且低于电子元器件8工作温度的相变材料，才能更好的实现储热控温的效果，符合上述要求的相变材料包括结晶水和盐、石蜡、脂肪酸和多元醇等，更具体的不一一罗列。

下面，本公开通过对比电子元器件8热耗散，无相变材料的热电能量转换和有相变材料的热电能量转换三种工况的总发电时间、总电能、总效率对本公开的技术效果作进一步说明。

根据傅里叶导热定律：

式中，Q_c为导热热量(J)，Φ_c为热流量(W)，t为时间(s)，λ为导热系数(W/(m·K))，A为导热截面面积(m2)，d为导热方向距离(m)。

为实现电子元器件8无相变材料和有相变材料的热平衡，假设两种情况的多余热量由相变材料相变热吸收，其表达式如下：

mγ＝Q_c2-Q_c1

式中，m为相变材料的质量(kg)，γ为相变热(kJ/kg)，Q_c1为无相变材料的导热量(J)，Q_c2为有相变材料的导热量(J)。

假设电子元器件8在工作状态下达到热平衡的条件为：作为热端的第一储液池4内溶液温度约为70℃，作为冷端的第二储液池2内溶液温度约为45℃，电子元器件8的工作时间为8小时。选择碳原子个数为20个的石蜡作为相变材料1，其熔点约为35℃，融化潜热为247kJ/kg。第一储液池4与第二储液池2的截面积为4cm²，间距为4cm，储液池内的溶液的导热系数近似为水的导热系数，为0.64W/(m·K)。经计算，需要7.46g的石蜡相变材料1可实现在8小时工作时间内将第二储液池2的温度维持在35℃。

当电子元器件8停止工作时，将第一储液池4作为冷端，其内溶液的温度约为25℃，相变材料1开始释放潜热，将第二储液池2作为热端，其内溶液的温度约为35℃，相变材料1通过释放潜热可以额外维持发电装置工作8小时。

为进一步对上述具体实施例进行说明，以图6所示的纳米通道结构为例对上述三种工况的热电能量转换进行数值模拟，利用有限元的方法求解泊松-能斯特-普朗克方程耦合传热方程。不同工况下的热电能量转换功率与效率计算公式为：

P_max＝N·IV/4

式中，N为多孔介质膜3总通道数，P_max为多孔介质膜3最大功率(W)，I为渗透电流(A)，V为扩散电势(V)。

式中，η为多孔介质膜3热电转换效率，Q_e为所转换的电能(J)。

上述三种工况的总发电时间、总电能和总效率的比对结果如表1所示：

表1电子元器件热电能量转换对比表

从表1可知，与无相变材料的电子元器件的热电能量转换相比，有相变材料的电子元器件8的热电能量转换不仅可以延长100％的发电时间，还能分别提高96.58％的总电能与94.57％的总效率。

以上应用了具体实施例对本公开进行了阐述，只是用于帮助理解本公开，并不用于限制本公开。任何熟悉该技术的技术人员在本公开所揭示的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于相变材料回收电子元器件余热的离子热电装置，包括：导热模块、发电模块和储放热模块；其中，

所述导热模块用于将电子元器件产生的余热传导至发电模块，使得发电模块内部形成正向温度差以实现热电能量转换，在发电模块实现热电能量转换的同时，电子元器件产生的余热进一步传导至储放热模块；

所述储放热模块用于将经由所述导热模块传导的余热作为潜热进行存储，并在电子元器件不产生余热的情况下，通过释放潜热使得发电模块内部形成逆向温度差以实现热电能量再次转换。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，优选的，所述发电模块包括第一储液池和第二储液池，所述第一储液池和第二储液池之间设置有多孔介质膜。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述多孔介质膜的表面带电且具有双电层屏蔽效应，可实现离子的选择性定向迁移以形成离子通量。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第一储液池内设置有第一电极，所述第二储液池内设置有第二电极，当离子通过所述多孔介质膜在所述第一储液池和第二储液池之间定向迁移时，电子在第一电极和第二电极之间流动形成输出电流。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述导热模块包括导热片，导热片上设置有散热槽。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述导热片包括且不限于石墨导热片、硅橡胶、绝缘导热胶或导热硅脂。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述储热模块采用相变材料，所述相变材料通过反复发生相变反应使得发电模块循环实现热电转换。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述相变材料为低温相变材料。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其中，所述相变材料包括且不限于结晶水和盐、石蜡、脂肪酸或多元醇。

10.一种如权利要求1所述的基于相变材料回收电子元器件余热的离子热电装置的发电方法，包括如下步骤：

S1：在电子元器件工作期间，其产生的余热经导热模块传导至发电模块，使得发电模块内形成正向温度差实现热电能量转换，在发电模块实现热电能量转换的同时，电子元器件产生的余热进一步传导至储放热模块；

S2：在电子元器件不工作期间，储放热模块释放其所存储的余热并传导至发电模块，使得发电模块内形成逆向温度差实现热电能量再次转换。

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