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(méi)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,這意味著它們將非常可靠,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(jiàn)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(kāi)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。
評(píng)論
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