[发明专利]部分有机填充密封的柔性块体温差发电器及其制备方法

说明书

本发明属于温差发电器技术领域，涉及一种部分有机填充密封的柔性块体温差发电器及其制备方法，包括若干组依次串联的电偶骨架单元和填充在电偶骨架单元中的填充物，填充物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，填充物部分填充电偶之间的空隙，填充物填充电偶骨架后的柔性块体温差发电器顶部和底部平铺柔性高导热层，柔性高导热层与柔性块体温差发电器顶部和底部表面胶合；解决现有有机PDMS热导率较大而导致的散热损失大，采用有机PDMS浇筑固化形成的柔性块体温差发电器，发电功率明显低于传统的刚性块体温差发电器的问题。

技术领域

本发明属于温差发电器技术领域，涉及一种部分有机填充密封的柔性块体温差发电器及其制备方法，尤其涉及一种部分中空PDMS填充密封的柔性块体温差发电器及其制备方法。

背景技术

温差发电(Thermoelectric Generation，简称TEG)技术是一种利用热电转换材料直接将热能转化为电能的绿色环保技术。人体是一个相对恒定的理想热源，整个体表散失至环境的热功率大约为60-180W，若利用TEG技术将1％的人体散热转化为电能，则发电功率达到0.6-1.8W，可满足大多数可穿戴传感器的电能需求，实现battery-free(自供电)可穿戴传感器。

柔性温差发电器可实现人体大弯曲表面的余热回收，其原理是通过热电材料(P、N型电偶)的塞贝克效应，将人体与环境之间的温差(热能)转化为电能。柔性温差发电器可以与人体医疗及健康监测的传感器整合，实现自供电传感器系统，具有重要的应用价值。

目前，人体温差发电器主要包括柔性薄膜温差发电器和块体温差发电器两种。薄膜温差发电器因内电阻很大，致使发电功率面密度极低。而传统的块体温差发电器虽然发电功率面密度相对较大，但不具备柔性。近年来研究者提出将有机PDMS液体浇筑至块体电偶阵列，固化后形成柔性块体温差发电器。然而PDMS较高的热导率(≈0.15W/mK)使得热散失较大，发电功率明显低于传统的刚性块体温差发电器。尽管研究者通过制备多孔PDMS或掺杂气凝胶颗粒，使得PDMS的热导率降低至0.08W/mK，但仍然大于空气热导率的3倍。

基于此，提出一种具有部分中空PDMS填充密封结构的柔性块体温差发电器。通过在电偶阵列之间构造部分中空PDMS结构，大大降低了PDMS的热散失。三维多物理场耦合模拟表明，构造部分中空结构后，发电功率面密度提高2倍，同时最佳填充因子(即所有电偶横截面积之和与温差发电器面积之比)减半，对于制造兼具低成本与高性能的柔性温差发电器极其有利。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决现有有机PDMS热导率较大而导致的散热损失大，采用有机PDMS浇筑固化形成的柔性块体温差发电器，发电功率明显低于传统的刚性块体温差发电器的问题，提供一种部分有机填充密封的柔性块体温差发电器及其制备方法，在PDMS厚度不改变的前提下，使其发电效率更高，发电功率面密度更大。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种部分有机填充密封的柔性块体温差发电器，包括若干组依次串联的电偶骨架单元和填充在电偶骨架单元中的填充物，填充物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，填充物部分填充电偶之间的空隙，填充物填充电偶骨架后的柔性块体温差发电器顶部和底部平铺柔性高导热层，柔性高导热层与柔性块体温差发电器顶部和底部表面胶合。

本基础方案的有益效果在于：通过构建部分中空PDMS密封结构，形成的空气空腔降低了PDMS填充体的热散失，进而显著地提高柔性块体温差发电器的发电功率面密度，同时降低最优填充因子。

进一步，每个电偶骨架单元均包括柔性导铜片、P型电偶和N型电偶和焊料，P型电偶和N型电偶相互平行放置，柔性导铜片通过焊料焊接在P型电偶和N型电偶两端的水平端面，形成Π型电偶对骨架。

进一步，柔性导铜片与P型电偶、N型电偶连接方式采用低温钎焊。

进一步，P型电偶和N型电偶具有相同的几何尺寸，其上、下端面为水平端面。