​省部共建国重室苗蕾教授团队在可穿戴热电发电机的舒适性和设计策略方面取得重要进展

2024年10月25日 08:40  点击:[]

近期,我室苗蕾教授团队在可穿戴热电发电机的舒适性和设计策略方面取得重要进展。该研究提出了一种基于经典夹层结构热电模型的高输出功率、舒适可穿戴热电发电机系统的新设计。研究成果以“Comfortable wearable thermoelectric generator with high output power”为题,发表在国际顶级期刊Nature Communications上。

L. Miao*, S.J. Zhu (共一作者), C.Y. Liu, J. Gao, Z.W. Zhang, Y. Peng, J.L. Chen, Y.F. Gao, J.S. Liang & Takao Mori *Comfortable wearable thermoelectric generator with high output power [J].Nature Communications (2024) 15:8516

摘要

可穿戴热电发电机为自供电的可穿戴电子设备提供了一种可靠的发电方法。然而,关于可穿戴式热电发电机的舒适性研究一直缺乏。本文提出了一种基于夹层热电模型的高输出功率舒适可穿戴热电发电机系统的设计方案。该模型通过系统地考虑各种热阻环境和弯曲状态、热电和封装材料的特性以及器件结构,为同时优化舒适度(皮肤温度和压力感知)和输出功率铺平了道路。为了验证这一策略,我们使用镁基热电材料制造了可穿戴热电发电机。这些材料具有取代传统碲化铋基材料的巨大潜力,使我们的可穿戴热电发电机在0.8 kPa的磨损压力和33 °C的皮肤温度下,功率密度达到18.4 μWcm-2,确保了佩戴者的舒适性。

研究背景

在可穿戴和植入式电子产品的显著进步推动下,个性化的快速发展正在彻底改变医疗保健领域。对于这样的生物电子学来说,不间断的电源是必不可少的,特别是对于像人工心脏起搏器这样的生命关键应用。可穿戴热电发电机(w-TEG)可以通过塞贝克效应利用人体热量提供连续的电能。它们的许多优点,包括高可靠性,没有运动部件和噪音,以及环保,使它们成为确保不间断供电的理想潜在解决方案。然而,尽管有这些好处,实现高输出和舒适的w-TEG的研究仍处于起步阶段。为了确保可穿戴性,w-TEG必须舒适,包括保持适当的皮肤温度,限制感知压力,并具有机械灵活性(包括弯曲,拉伸和折叠),以适应身体的动态运动。虽然在提高极端条件下w-TEG的输出功率方面取得了重大进展,但不幸的是,它们的舒适度一直被忽视,尽管这确实是应用中必要的考虑因素,因为它会影响热源的稳定性和设备的可穿戴性,就像其他可穿戴电子产品一样。优化可穿戴性和设备输出是一个重大挑战。舒适性(器件的弯曲刚度:EiTEG,弯曲半径:r和人体感知温度:Ts,穿戴压力:Pr等)和输出性能(功率密度:Pd,负载电阻:Rl,电压密度:Vd等)通过器件结构,热电(TE)材料的性质和环境复杂地耦合在一起。因此,同时获得舒适和高输出并不是直截了当的。从本质上讲,最大化输出不仅依赖于优化TE材料性能,还需要在系统层面对w-TEG的结构和热管理进行细致的设计。然而,迄今为止还没有关于w-TEG系统效率和穿戴性的通用分析公式。

研究内容

1w- TEG的设计过程

本文提出了一种基于一维耦合机制的完整设计策略。图1给出了基于TE与力学模型耦合场的w-TEG模块全参数优化逻辑框架。该设计策略考虑了各种应用场景,考虑了环境温度(Ta),弯曲半径,体温(Tb),TE和封装材料等参数,包括封装材料的杨氏模量(E)和导热系数(κE)值。这里的封装材料被定义为可穿戴热电发电机的填料和衬底。对于给定的环境和材料,系统的输出和舒适性高度依赖于热电腿的几何形状和散热设计。

图1 w-TEG全参数优化的逻辑框架

2输出性能与穿着舒适性的耦合机制

为了评估w-TEG系统性能的各个方面,本研究分别构建了理想模拟人体佩戴时设备的热电和机械模型(假设两种材料之间没有位移,不考虑中心线拉伸,不考虑泊松比等)。热电模型主要研究w-TEG的输出性能和皮肤温度,而力学模型主要研究w-TEG的柔韧性,并确定穿戴时对皮肤施加的最小压力。力学模型如图2a和b所示,热电模型如图2c所示。

图2w-TEG的模型

3多参数w-TEG优化

在上述模型的基础上,本文选择镁基热电材料进行研究,并采用了高导热可拉伸复合基底(PDMS/LM/Copper,Eb&Et=820 kPa,κb&κt=2.1 Wm-1K-1)作为衬底。中间填充材料为软质、低导热聚氨酯泡沫(E=270 kPa,κf=0.025 Wm-1K-1)。图3a为穿戴在手臂上时,器件结构关于压力(Pr)的函数(r=5 cm)。黑线表示穿紧身衣服时的临界Pr(0.5 ~ 0.8 kPa),超过这个Pr,皮肤感觉紧绷。然后根据模型确定了手臂上的Ts的结果,如图3b所示。在对w-TEG穿着舒适性进行优化后,为使Pd最大化,利用公式确定其作为结构的函数,结果如图3c所示。为了便于分析,将结构参数映射为在手臂上佩戴w-TEG时的PrTs和输出Pd的耦合结果,如图3d所示。当最终确定设计结构时,使用有限元分析(FEA)进行较小的调整,如图3f所示,并且依次在这些参数之间获得更高的精度。

图3w-TEG系统结构设计工作流程

4器件制备及力学性能

基于上述材料制备了镁基w-TEG,如图4a所示,TEG的TE支腿由s型铜电极连接,由于封装和电极具有可拉伸性,所制备的器件具有良好的柔韧性和可拉伸性(图4b-d)。通过对不同弯曲和拉伸条件下的性能测试,验证了w-TEG的力学可靠性。图4e显示了w-TEG在多个弯曲循环中的阻力变化,结果表明,w-TEG的弯曲半径可以达到5 mm。当器件放置在目标弯曲半径为10 mm的测试平台上时,其内阻变化率(RTEG_0/RTEG)和输出在500多次弯曲循环中保持相对稳定(图4f-g)。此外,w-TEG显示出高达30%的拉伸性能,并且在20%应变下重复200多次后,器件的RTEG_0/RTEG和输出性能保持不变(图4h-j)。

图4制备的镁基w-TEG及其力学性能

5模型验证

为了验证上述模型的准确性,搭建了TE性能测试系统(图5a)和力学性能测试系统(图5b)。一维数值分析、有限元分析和实验表征的结果如图5c-g所示。期望值与实验结果之间的高度一致性突出了模型的可靠性。

图5模型验证

6w-TEG在人体佩戴过程中的表现

根据上述设计标准制备了面积为4.5×4.5 cm2的镁基w-TEG,并验证模型和设计方法的有效性和可靠性。首先,将SiO2/TiO2/PMDS(STP)复合辐射冷却(RC)膜应用于器件(图6a),以增强器件与环境之间的热交换。随后,评估了该装置在人体手腕(图6b)和大腿(图6c)上的电压。器件的电压在5分钟后达到热平衡并趋于稳定,此时得到佩戴在手臂上器件的输出功率,结果(图6d)显示,在室温下,当佩戴者静止不动时,w-TEG输出功率高达126 μW,当佩戴者慢速行走(行走速度为1 ms-1)时,其输出功率达到367 μW(Pd= 18.4 μWcm-2)。人体热量收集的演示表明,该w-TEG可以广泛用于可持续地为微瓦级可穿戴电子设备供电(图6e)。图6f提供了本研究中的镁基的w-TEG和最先进的基于碲化铋的器件在TE材料的Pd,ZT,弯曲曲率(r-1),灵活性(EiTEG-1)和Ts方面的全面比较。很明显,该工作(由红色五边形和星星表示)在所有这些方面都很出色。

图6镁基w-TEG的设计与应用

研究结论

综上所述,对于实际应用而言,理想的w-TEG不仅要满足发电要求,还应综合考虑其可穿戴性。本文计算了w-TEG系统的输出性能,包括功率和电压,以及佩戴舒适性方面,如弯曲半径、弯曲压力、皮肤温度和其他多维参数,根据分析模型提供了设备与人体之间的联系。通过解耦分析,提出了一套快速评估w-TEG最大输出功率和最佳舒适性的系统级设计策略。根据这种方法,本文还开发了一种高功率密度的镁基w-TEG,它具有出色的灵活性和穿戴的舒适性。研究结果强调了该w-TEG在收集体热以获取能量方面的有效性,其潜在应用范围可以扩展到自供电的可穿戴电子设备和传感器。这项工作为可穿戴热电系统和低温温差热电联产系统的设计提供了深入的视角和理论基础。

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