一种全天候无源自供电器件及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及物联网供电技术领域，具体公开一种全天候无源自供电器件及其制备方法和应用。器件依次包括耦合连接的冷端模块、热电器件、导热模块、热端模块和热交换器；通过辐射制冷材料沉积在导热片上形成用于散发热量的冷端模块；通过光热材料沉积在导热片上形成用于吸收热量的热端模块；导热模块用于吸收储存热端模块的热量，热电器件利用冷端模块和导热模块的温差发电，并引出电极导线；热交换器用于储存热量，以降低外界环境因素对于器件性能造成的波动。本发明专利技术利用辐射制冷和光热效应，实现了全天候可持续的性能输出，成功应用于全天候自供电LED灯和全天候物联网无线温度传感设备。备。备。

【技术实现步骤摘要】
一种全天候无源自供电器件及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及物联网供电
，具体涉及一种全天候无源自供电器件及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]物联网的快速发展引发了物联网节点对于无源自供电技术的迫切需求。现有低功耗物联网技术大部分需要普通电池或纽扣电池供电，但是百亿级物联网节点意味着需要消耗百亿级电池，这并不符合低碳经济的要求。随着物联网在各行业的深入应用，电源的大规模部署受到环境、成本、节能环保等限制，传统采用有线或者电池的供电方式无法满足需求，无源物联网成为有效解决方案，也将成为未来5G Advanced和6G技术体系中的重要组成部分。无源物联网是基于自供电的设计，利用长期稳定的能量来源驱动传感器节点感知和通信。无源自供电技术主要是通过环境能量采集技术来实现，外界环境中存在着很多能量来源，能量采集技术将其采集并转化为可供传感节点工作的电能，也满足低碳经济的要求。如何给未来庞大数量的物联网传感器进行无源供电是物联网快速发展面临的重大挑战之一。
[0003]CN107148087A公开了一种基于太阳能收集的自供电温湿度传感器网络，太阳能电池可以为传感器网络节点供电并将多余电能存入可充电锂电池中，以供夜间没有光照条件下的应急使用。CN112284354A公开披露一种无源无线压电传感器及无源监测系统，其中利用压电换能器件汲取来自液体任意方向的动能转换为电能，支持无线通信组件将所述汲能监测组件检测到的所述液体运动状态信息作为无线信号发出。CN110676951A公开了一种基于环境射频能量采集的自供电系统，接收天线用于获取环境中的射频能量并将获取到的射频能量转换为交流电输出，通过匹配电路、整流电路、升压储能电路、稳压电路实现为外部低功耗物联网节点供电。
[0004]以上无源供电技术在一定程度上依赖于环境中光能、电磁能、机械能等能量的供给情况，输出性能易随环境、时间等变化而发生较大波动，无法在普适的地点和时间持续驱动物联网节点。在众多能量转换方式中，热电转换是解决物联网节点供电问题的优选方案，但其中关键问题在于寻找一种可在热电器件的两端持续产生并保持温差的方法，并且支持电子设备实现全天候可持续的运行，这值得进一步研究和探讨。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术中自供电技术对环境依赖性大，无法在普适的地点和时间持续驱动物联网节点这一问题，提供一种全天候无源自供电器件的制备方法，制得的器件能够在适应众多场景，且无需储能单元，满足物联网节点全天候实时工作的供电需求。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种全天候无源自供电器件，依次包括耦合连接的冷端模块、热电器件、导热模块、热端模块和热交换器；其中，
[0008]所述冷端模块通过辐射制冷材料沉积在导热片上形成，用于散发热量以降低冷端模块温度；
[0009]所述热端模块通过光热材料沉积在导热片上形成，用于吸收热量以提高热端模块温度；
[0010]导热模块用于吸收储存热端模块的热量，热电器件利用冷端模块和导热模块的温差发电，并引出电极导线；
[0011]热交换器用于储存热量，以降低外界环境因素对于器件温度造成的波动。
[0012]针对现有无源自供电热电器件无法持续形成温差、性能输出低等问题，本专利技术利用辐射制冷与光热吸收实现宽光谱的能量收集，采用一端为光热吸收模块(热端模块)，另一端为辐射制冷模块(冷端模块)的整体结构设计，利用耦合连接降低各界面的热阻，热电器件利用冷端与热端的温度差发电，无需传统储能单元即可成功实现全天候温差和持续的电学输出。
[0013]在一些实施方式中，冷端模块中沉积为辐射制冷材料溶剂挥发成膜；
[0014]在一些实施方式中，冷端模块的制备包括步骤：将所述辐射制冷材料溶于有机溶剂中形成混合溶液，将混合溶液平铺于导热片上，溶剂挥发制备成膜；
[0015]所述有机溶剂包括丙酮、去离子水、乙醇中一种或多种；
[0016]进一步地，在一些实施方式中，导热片提前控温，溶剂挥发过程温度稳定，如20
‑
40℃之间，以确保辐射制冷膜在挥发过程中不会因为受热不均而出现卷曲、脱模现象出现，确保制冷膜与基板接触良好。
[0017]在一些实施方式中，热端模块中沉积包括涂覆或电镀光热材料；
[0018]在一些实施方式中，所述辐射制冷材料包括聚合物、电介质中任一种或两种的复合材料；
[0019]在一些实施方式中，所述聚合物包括聚偏氟乙烯
‑
共六氟丙烯(P(VdF
‑
HFP))、PDMS、PE；所述电介质包括SiO2、Al2O3中任一种；
[0020]在一些实施方式中，所述辐射制冷材料包括P(VdF
‑
HFP)或PDMS/SiO2复合物；
[0021]进一步地，在一些实施方式中，所述辐射制冷材料为P(VdF
‑
HFP)，该聚合物在8
‑
13μm的大气窗口具有高发射率，在0
‑
2.5μm太阳波段具有高反射率，具有出色的辐射制冷效应。
[0022]在一些实施方式中，所述光热材料包括石墨烯或黑铬；石墨烯材料是一种类黑体材料，在整个光谱波段具有高的发射率/吸收率，能够有效地吸收热量。黑铬在太阳光谱波段具有高吸收率，在大气窗口具有低发射率，这就确保光热能有效地实现光热转换并减少热量的释放，从而产生较高的温度。
[0023]在一些实施方式中，所述光热材料为黑铬；黑铬具有更高的吸收率和更低的发射率，吸收热量效果更佳。
[0024]所述冷端模块中辐射制冷材料的厚度为200
‑
700μm；在一定范围内，厚度增加，辐射制冷材料在大气窗口发射率提升，但当超过一定厚度后，材料的发射率下降，在太阳光谱波段的反射率提升，性能会有所下降。
[0025]在一些实施方式中，所述冷端模块中辐射制冷材料的厚度为600μm，以获得高的太阳反射率和长波红外发射率。
[0026]所述冷端模块中辐射制冷材料散热面积不低于400cm2；散热面积越大器件的输出功率越高，但也将对应导致器件本身尺寸增大，可根据所应用设备需求设计尺寸。散热面积不低于500cm2，器件的输出功率更优，可确保依靠辐射制冷效应的夜间输出满足电子应用设备的电学需求。
[0027]所述冷端模块中散热面积与所述热端模块中吸热面积比为0.3
‑
0.8:1；该尺寸面积比下白天和晚上器件的电学输出更为稳定。如面积比为0.4:1、0.5:1、0.6:1、0.7:1，或它们之间任意值；
[0028]在一些实施方式中，所述冷端模块中散热面积与所述热端模块中吸热面积比为0.4:1；面积比太低会导致白天性能远高于夜间；面积比太高会导致夜间性能远高于白天。
[0029]所述导热片为金属片，厚度不高于1mm。金属薄片的导热性更佳，热阻更低，可进一步提高温差，器件输出功率更高。在一些实施方式中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全天候无源自供电器件，其特征在于，依次包括耦合连接的冷端模块、热电器件、导热模块、热端模块和热交换器；其中，所述冷端模块通过辐射制冷材料沉积在导热片上形成，用于散发热量以降低冷端模块温度；所述热端模块通过光热材料沉积在导热片上形成，用于吸收热量以提高热端模块温度；导热模块用于将热端模块的热量传递给热电器件，热电器件利用冷端模块和热端模块的温差发电，并引出电极导线；热交换器用于储存热量，以降低外界环境因素对于器件温度造成的波动。2.根据权利要求1所述的全天候无源自供电器件，其特征在于，冷端模块中沉积为辐射制冷材料溶剂挥发成膜；热端模块中沉积包括涂覆或电镀光热材料。3.根据权利要求1所述的全天候无源自供电器件，其特征在于，所述辐射制冷材料包括聚偏氟乙烯
‑
共六氟丙烯或PDMS/SiO2复合物；和/或，所述光热材料包括石墨烯或黑铬。4.根据权利要求1所述的全天候无源自供电器件，其特征在于，冷端模块中辐射制冷材料的厚度为200
‑
700μm。5.根据权利要求1所述的全天候无源自供电器件，其特征在于，所述冷端模块中辐射制冷材料散热面积不低于400cm2；和/或，所述冷端模块中散热面积与所述热端模块中吸热面积比为0.3
‑
0.8:1；和/或，所述导热片为金属片，厚度不高于1mm；和/或，所述导热模块和热交换模块的材质独立选自铜或铝；和/或，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱铁军，刘凯，付晨光，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：