熱能采集與存儲(chǔ)結(jié)合新技術(shù)

熱能采集與存儲(chǔ)結(jié)合新技術(shù)

能量采集是將一部分能量從某個(gè)現(xiàn)有的但尚未使用的能量源上分離、獲取以及存儲(chǔ)的過(guò)程。熱電發(fā)生器（TEG）中的溫差可產(chǎn)生電勢(shì)，從而將熱源中的廢熱轉(zhuǎn)換為另一種能量形式——電能。

能量采集為無(wú)線傳感器等設(shè)備提供了直接供電的可能。但是，如果熱能要被視為一種穩(wěn)定的電源，就必須考慮熱源的穩(wěn)定性。將薄膜熱電發(fā)生器與能量存儲(chǔ)器件相結(jié)合，就為管理能量源的變化性提供了一種理想的解決方案。

熱電發(fā)生器
熱電器件的核心組件是一組熱電偶，它包括一個(gè)N型與一個(gè)P型半導(dǎo)體，兩者由金屬板相連。在P與N型材料對(duì)端的導(dǎo)電連接構(gòu)成了一個(gè)完整電路。

圖1 熱電熱發(fā)生器的熱-電轉(zhuǎn)換

當(dāng)熱電偶存在熱梯度時(shí)（即頂部比底部熱），熱電發(fā)生器(TEG)工作。在該情況下，器件產(chǎn)生電壓并形成電流，根據(jù)賽貝克效應(yīng)，熱能轉(zhuǎn)化為電能。

將這些熱電偶組串聯(lián)，則形成熱電模塊。若熱量在該模塊頂部與底部之間流動(dòng)（形成溫度梯度），則可產(chǎn)生電壓并形成電流。

薄膜熱電發(fā)生器
由薄膜技術(shù)制造的TEG能提高能量轉(zhuǎn)換的性能，從而提高它們作為能量源的能力。薄膜熱電發(fā)生器比傳統(tǒng)TEG小而且薄，有望利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)方法進(jìn)行直接集成。

薄膜是厚度范圍從不足1納米到幾微米的材料層。薄膜熱電材料可通過(guò)多種方式生成，但通常需要真空沉淀技術(shù)，例如通過(guò)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）反應(yīng)器。器件采用常規(guī)半導(dǎo)體制備工藝制造。

電能產(chǎn)生
熱電發(fā)生器以效率η將熱能（Q）轉(zhuǎn)化為電能（P）。

P=ηQ???????????????????? (1)

設(shè)備體積越大，利用的熱量Ｑ也越大，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生更多的電能P。類似地，所用的能量轉(zhuǎn)換器的數(shù)量增加一倍，由于所獲得的熱能增加一倍，所以產(chǎn)生的電能自然也增加一倍。不考慮熱流量與系統(tǒng)構(gòu)型的特殊約束，使用每單位面積生成的熱能（P/A）與熱流量密度（Q/A）相比使用電能與消耗熱量的絕對(duì)量更為便利（如式2所示）。這對(duì)于熱電發(fā)生器特別方便，因?yàn)樵撈骷哂辛己玫目蓴U(kuò)展性：大規(guī)模器件可通過(guò)小模塊陣列輕松組成。

P/A=ηQ/A??????????????? (2)

TEG與存儲(chǔ)器件的組合
根據(jù)熱源的穩(wěn)定性情況，熱電發(fā)生器在作為電源的實(shí)際應(yīng)用中，可以選擇以下兩種方式之中的一種：若熱源足夠大且穩(wěn)定，則直接使用；通過(guò)為電池或其他能量存儲(chǔ)器件充電的方式使用。

對(duì)帶有TEG的電池充電最簡(jiǎn)便的方式是為電池提供恒定電壓或恒定電流。當(dāng)然，如果電壓或電流非常大，可能會(huì)出現(xiàn)損壞電池的情況。

如果在TEG選型時(shí)將其充電電流或充電電壓與電池的放電率相匹配，則電池可以一直保持在充電狀態(tài)，而且不會(huì)受到損害。這種充電方式被稱為對(duì)電池的微流充電。這將使電池保持高容量。它是最慢的電池充電方法，同時(shí)也是最便宜與安全的方法。大部分可充電電池，特別是鎳鎘電池或鎳氫電池，具有一定的自放電速率，這意味著即使在沒有用于為設(shè)備供電的情況下，它們也會(huì)逐漸放掉電量。

此外，還有很多其他方法，例如，定時(shí)器型、智能型、感應(yīng)型和脈沖型。由于不需要額外增添任何穩(wěn)壓電路來(lái)監(jiān)控電池并調(diào)整充電速率，在使用TEG和電池的集成器件時(shí)，微流充電是最有可能被采用的方式。
熱電發(fā)生器作為能量轉(zhuǎn)換的一個(gè)途徑，已經(jīng)引起了人們的興趣。這些器件是非機(jī)械的，這意味著它們將非?？煽?，但使用這些器件還存在一些限制。

TEG用于能量轉(zhuǎn)換必須存在熱流量。該熱流量必須通過(guò)TEG流入與流出。這表示必須具有某種類型的排熱或散熱路徑。

關(guān)于TEG的一個(gè)常見誤解是，只要將它們放入熱的環(huán)境中就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生熱流量。開始時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流，但很快整個(gè)TEG將達(dá)到熱平衡（各處溫度相同），通過(guò)TEG的熱流量將終止，電流也會(huì)隨之停止。

另外一個(gè)興趣點(diǎn)是，器件外的熱流量會(huì)影響附近區(qū)域系統(tǒng)的熱力學(xué)特性。這是因?yàn)門EG具有較高的熱阻。
如此高的熱阻會(huì)導(dǎo)致在TEG方向上的熱流減慢，進(jìn)而導(dǎo)致用于熱源的器件溫度上升。這是由從器件到周圍環(huán)境增大的熱阻造成的。為此，用于發(fā)電的TEG最好使用在器件具有一些溫度余量的情況，即器件目前的工作溫度尚未接近溫度上限。

由于可以通過(guò)為排出的熱量提供良好的熱通道的方法來(lái)提高模塊性能，因此，提供高導(dǎo)熱通路是有好處的。對(duì)于小封裝而言，典型方法是通過(guò)它們自身的電氣連接實(shí)現(xiàn)，而且根據(jù)其運(yùn)行特性，這種程度的熱管理可能已經(jīng)夠用了。對(duì)于更高熱密度的封裝，熱管理中可能需要使用導(dǎo)熱饋通或?qū)岫恕?/P>

將熱電發(fā)生器與電池和能量單元結(jié)合在一起時(shí)，可為許多自助式自供電應(yīng)用提供一種理想的能量解決方案。這種解決方案可通過(guò)消除電池更換的高額成本來(lái)降低設(shè)備所有者的總成本。該途徑基于能量獲取技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“即時(shí)”電源解決方案，顯著地降低了供電所需的空間，并改進(jìn)了免維護(hù)運(yùn)行的嵌入式設(shè)備的性能。