【Carbon Neutrality论文荐读】谢华清教授团队：热电-相变耦合系统的研究进展与展望
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近日，上海第二工业大学谢华清教授团队应邀在Carbon Neutrality上发表了题为《热电-相变耦合系统的研究进展与展望》（Advances and outlook of TE-PCM system: A review）的综述。该综述系统总结和梳理了热电-相变耦合系统的工作原理、分类准则及其不同配置类型在实际应用中的研究进展，并提出未来的优化设计方向和技术发展建议。
文章亮点
1
介绍了热电-相变耦合系统的工作原理，并总结了配置类型及其分类准则。
2
列举了热电-相变耦合系统最具代表性的实际应用及其优化设计的最新研究进展。
3
展望了热电-相变耦合系统的未来发展前景和所面临的技术挑战。
内容简介
基于热电发电和相变储热技术的热电-相变耦合系统兼具零碳排放和余热利用的双重特性，在应对不断增长的能源需求和力求实现“双碳”目标的背景下展现出良好的发展前景。近年来，一些优秀的研究成果报道了热电-相变耦合系统在交通运输、能源转换、建筑节能与可再生能源利用等方面所展现出的技术优越性。本文介绍了热电-相变耦合系统的工作原理和分类准则，对不同配置类型的热电-相变耦合系统在各种应用领域的研究进展进行了全面的回顾和分析，明确了未来的优化设计和技术发展方向。
图文导读
01
热电-相变耦合系统在交通运输领域的应用主要集中在汽车、飞机和水下潜航器。
汽车尾气余热回收作为少数热电发电应用之一，相对于其他成熟的机械余热回收技术在百瓦至千瓦级别的发电功率水平上具有明显的技术优势，基于合适的相变材料精心设计的热缓冲器可以确保车载热电发电系统能够尽可能长时间地在最佳运行状态下工作。
与汽车相比，飞机在飞行过程中损失的废热也相当可观，热电-相变耦合系统在飞机上通常被用来收集余热并将其转换为电能为机身的无线传感器节点供电以监测飞行状态。在过去的十年中，超过二十篇文献报道了用于监测飞机飞行状态的动态能量收集装置原型机。根据环境条件（温度、湿度、压力等）、散热和传感器要求，可以将热电-相变耦合系统布置在飞机的座椅、机舱、机翼、机身等位置构建飞行监测传感器系统。
与上述两种应用不同，迄今为止，在水下应用热电-相变耦合系统的案例很少，目前能够检索到的研究进展仅限于水下潜航器的应用。一些研究人员已经弄清楚如何在弱海洋温差条件下应用热电器件获取电能，受到这些成功尝试的启发，通过将这项技术小型化并将相变材料集成在热电发电能源收集模块中利用从浅海到深海之间的温差获取电能可以用于驱动无人潜航器。
图1. 热电-相变耦合系统在汽车、飞机和水下潜航器的应用
02
热电-相变耦合系统在能源领域的应用主要为光伏-相变-热电耦合系统和光热-相变-热电耦合系统。相变材料在这两种耦合系统中通过储存和释放余热不仅能够有效减少因太阳辐照强度变化所引起的温度和输出电能的波动，还使得这两种耦合系统能够昼夜不间断地运行，从而提高了太阳能的综合利用率。
图2. 热电-相变耦合系统与光伏、光热发电系统兼容运行
03
近年来，研究人员对热电-相变耦合系统的组件和结构设计进行改良以求进一步提升发电性能的案例不胜枚举，优化方向主要包括相变材料、热电器件和结构设计这三个方面。相变材料方面侧重于在不影响储热性能的前提下尽可能提升传热性能以便更有利于应对温度波动的工况。热电器件方面侧重于使用热电转换性能更加优越的热电材料或具有层叠结构的热电器件以便进一步增加温度梯度和实现多级余热利用。结构设计方面侧重于通过优化热能获取（例如触发式结晶放热、摩擦生热、热虹吸等），热能储存（例如柔性相变储热单元设计）以及延伸传热路径来提升热电-相变耦合系统的发电性能。
图3. 热电-相变耦合系统的相变材料、热电器件和结构设计优化
总结展望
热电-相变耦合系统可以提供低成本、模块化、可调度的清洁电力和热/冷能，这将有助于绿色能源的生产与储存，从而为早日实现碳中和提供技术支撑和助力。针对目前的研究进展，热电-相变耦合系统在热量存储与传递和热电转换之间的适配仍需进一步优化。建议以结构设计为突破口提高热电-相变耦合系统与其他能源系统的兼容性，从而进一步提升其能源转换效率和拓展应用范围。
原文信息
Advances and outlook of TE-PCM system: a review
作者：
Anbang Liu, Huaqing Xie*, Zihua Wu and Yuanyuan Wang
原文链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-022-00018-4
DOI:
https://doi.org/10.1007/s43979-022-00018-4
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通讯作者介绍
谢华清，教授，上海第二工业大学校长
研究领域
主要从事材料热物理和微纳尺度传热的研究工作，涉及纳米复合相变材料、热电材料与器件、热界面材料、纳米流体及太阳能利用等。
个人简介
本科毕业于中国科学技术大学工程热物理专业（五年制），博士毕业于中科院上海硅酸盐研究所材料科学与工程专业。曾先后在美国肯塔基大学机械工程系、韩国国立首尔大学航空与机械工程系先进制造和设计研究所、日本九州大学先导物质化学研究所学习工作。2006年加入上海第二工业大学任教授、院长（2010.4）、副校长（2014.7）、校长（2021.3）。作为项目负责人主持完成国家自然科学基金重大项目课题、863计划课题等科研任务和教育部新工科项目、上海市重点教改项目等教育研究项目。至今发表SCI收录论文200余篇，先后10余篇论文入选ESI高被引论文。获上海市自然科学奖二等奖和三等奖各1项（均排名1），获中国产学研合作创新成果奖1项（排名1）、获上海市教学成果奖一等奖1项（排名1）。2014年起连续入选爱思唯尔(Elsevier)中国高被引学者榜单。兼任中国工程热物理学会理事、中国计量测试学会理事、上海金属学会副理事长等。
联系方式
E-mail: hqxie@sspu.edu.cn
图文来源：原文作者
编辑：Carbon Neutrality编辑部
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