温差发电机在利用环境中多样化的低品位废热方面具有显著优势，但如何高效获取这些能源资源仍是一个挑战。地球表面约71%被水域覆盖，这些水域是丰富的热力学资源，温度范围从0°C到30°C，可用作热源或冷源。通过扩展这种可利用的环境能源并精确设计温度自适应吸收/发射器和热电模块，能够进一步提升温差发电机的输出性能。本文开发了一种温度自适应漂浮式温差发电机（temperature-adaptive floating thermoelectric generator, TAFTEG），通过集成温度自适应吸收/发射器，协同利用太阳能、外太空以及水体中的可再生能源，结合昼夜光谱选择性吸收和夜间辐射冷却技术，实现全天候发电。相关成果以High-Performance Floating Thermoelectric Generator for All-Day Power Supply为题发表在Nano Energy上。
图 1. (a) 在农村偏远地区和近海领域中，为各种传感器和监测器提供不间断电源的TAFTEG概念图。 (b) TAFTEG在阳光下（左）和夜间（右）的热传递和温度变化示意图。 (c, d) 本工作和目前已有工作的在白天(c)和夜晚(d)期间光学和电学输出性能上的比较。
图2. (a) Al2O3衬底上的WxV1-xO2膜在温度为15℃（蓝色）和70℃（红色）下的反射光谱。(b) 在温度从20℃到80℃之间，沉积在玻璃衬底上的WxV1-xO2膜的拉曼光谱。(c) 在波长为8μm处WxV1-xO2膜的反射热滞回线。其中红线和蓝线分别代表加热和冷却过程。子图是热滞回线的微分。(d) 制备的基于WxV1-xO2的温度自适应吸收器/发射器（temperature-adaptive absorber/emitter, TAA/E）的横截面微观结构。(e) TAA/E在温度为15℃（蓝色）和70℃（红色）时的吸收光谱。(f) TAA/E在室温下的角吸收率。(g) TAA/E在温度为15℃（上）和70℃（下）时的模拟归一化电场分布。(h) 在1 kW m−2的太阳辐射下， TAA/E和室内温度测量。(i) TAA/E的室外温度测量。子图为2023年4月8日在深圳测量的太阳辐射。
图3. (a) 水面上的TAFTEG示意图。(b, c) 白天(b)和夜晚(c)漂浮在水面上的TAFTEG热平衡示意图。其中，Pcond是导热，PJ是焦耳热，PP是珀尔帖热，Pleg是与环境的换热。(d, g) 白天（太阳辐射为1 kW m−2）条件下，TAFTEG的ΔT (d)和Pmax (g)随热电腿的高度和距离（delta）的变化。(e, h) 白天（太阳辐射为1 kW m−2）条件下，TAFTEG的ΔT (e)和Pmax (h)随热电腿的高度和其周围环境之间的对流换热系数（hleg）和水温的变化。(f, i) 夜晚条件下，TAFTEG的ΔT (f)和Pmax (i)随hleg和水温的变化。
图4. (a) 温度自适应TEG封装前后的照片。(b) 室内实验装置和制造的TAFTEG的照片，尺寸为34×34×12.4 mm³。(c) 在室内太阳光照1 kW m−2下，TAFTEG顶部、底部、环境和水的温度。
(d)在室内太阳辐射1 kW m−2下持续10分钟，TAFTEG的电压-电流和功率-电流曲线。
(e)使用TAFTEG和直流升压转换器为LED供电的演示。
图5. (a) 室外实验装置的照片。(b) 白天TAFTEG的温度变化。(c) 白天TAFTEG的温差（ΔT）和开路电压（Voc）。(d) 白天TAFTEG的峰值功率（Pmax）。(e) 在不同区域、不同太阳辐射强度和底部温度条件下，TAFTEG白天的潜在平均发电量。(f)夜间TAFTEG的温度变化。(g) 夜间TAFTEG的温差（ΔT）和开路电压（Voc）。(h) 夜间TAFTEG的峰值功率（Pmax）。(i) 在不同区域TAFTEG夜间的潜在平均发电量。
本研究开发了一种高效的TAFTEG，用于合理利用太阳、外太空和水域这三种不同的热力学资源，通过动态集成选择性太阳能吸收和辐射冷却技术，实现全天候可再生能源采集。所制备的TAFTEG由上层的基于WxV1-xO2的TAA/E和底层的基于Bi2Te3的TEG模块组成。上层TAA/E具备优异的太阳能吸收能力（约96%）以及动态热辐射调控能力，能够根据温度变化在低发射率（约45%）和选择性高发射率（约81%）之间切换。在室内实验中，TAFTEG在约1 kW m−2的太阳辐射下可产生稳定的温差（ΔT）为34°C，对应开路电压（Voc）约为120 mV，最大输出功率密度（Pmax）约为1.0 mW/cm2。此外，TAFTEG实现了不间断供电，在白天操作时最大输出功率密度约为1 mW/cm2，夜间操作时约为2.0 μW/cm2，非常适合为偏远农村和近海地区的传感器和监测设备提供稳定的电力供应。这种多功能的TAFTEG设计展现了全天候可再生能源发电的巨大潜力。
论文信息: Wu Z, Wang J, Sun X, et al. High-Performance Floating Thermoelectric Generator for All-Day Power Supply. Nano Energy, 2024: 110443. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110443
