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采用TE能量收集系統實現熱電能量的收集

時間:2019-02-18 09:27:11來源:網絡 作者:電子愛好者 點擊:
在自然環境和人造環境中幾乎無處不在。它們很容易辨認,因為它們往往是個人不適的根源。我們穿著溫暖,以減少在寒冷的一天損失的身體熱量,而加熱和空調通過設置室內空氣溫

在自然環境和人造環境中幾乎無處不在。它們很容易辨認,因為它們往往是個人不適的根源。我們穿著溫暖,以減少在寒冷的一天損失的身體熱量,而加熱和空調通過設置室內空氣溫度,以滿足個人喜好,提高舒適度。然而,通常不希望的溫度梯度可以用所謂的熱電效應進行有用的工作。

熱電效應(TE)已有近兩個世紀的歷史。托馬斯·約翰·塞貝克(Thomas Johann Seebeck)發現,在溫度梯度上放置的不同金屬可以偏轉羅盤針。每單位溫度產生電壓的材料或器件的系數稱為塞貝克系數(以V/°C表示)。

熱電裝置最常用作冷卻用熱泵,通常稱為Peltier冷卻器。這源于1884年Jean Charles Athanase Peltier的發現,即通過兩種金屬之間的連接處的電流將在一側吸收熱量并在另一側產生熱量。

便攜式固態冷卻多年來證明非常有用,特別是在紅外探測器等設備中。然而,正如Seebeck所注意到的那樣,該設備將反過來工作,這在今天作為一種收集熱能并將其用于微功率電子設備的方法非常有用。

實現一系列n型和p型半導體支路的夾層(圖1)創建了典型的TE模塊。腿是碲化鉍或碲化銻的顆粒。腿綁在一起以形成串聯電連接和并聯熱連接。模塊的頂部和底部通常是氧化鋁陶瓷,以提供電絕緣和良好的導熱性。

完整模塊的塞貝克系數取決于其他因素,但對于原始碲化鉍材料,某些組合物的最高可達-287μV/°C。對于尺寸適中,大約一平方英寸(單級模塊厚度在2到5毫米之間)的完整模塊,可以產生超過100 mV/°C。

采用TE能量收集系統實現熱電能量的收集

圖1:熱電發電機模塊結構。 (由Linear Technology提供。)TE能量收集

TE能量收集系統利用其兩個表面之間的任何溫差。溫度梯度無處不在。我們遇到的各種設備在遠高于周圍環境的溫度下運行。考慮到核心體溫為37°C,我們自己的身體相對溫暖。皮膚溫度通常在32℃的范圍內。對于典型的室內空氣溫度,連接到人體皮膚的收割機可提供高達10°C的ΔT。與我們每天使用的大多數機器相比,人體的廢熱是微不足道的。任何溫暖的東西,如您的筆記本電腦,將提供比標準室內空氣溫度下人體皮膚10°左右更多的收獲潛力。在容易獲得的廢熱的最末端是內燃機廢氣。廢氣本身可以達到幾百度,遠高于用于構建熱電模塊的焊料的熔化溫度,但是這個例子說明了容易接近的非常高的溫度梯度。設想用于保護TE模塊的絕緣材料的收割機也不難。

無論熱電發電機(TEG)是用于收集幾度或一百度的溫度梯度,都應用相同的設計原則。其中最主要的是需要保持溫度梯度。通過熱流在TE裝置中移動電荷。沒有溫差,發電機沒有熱流和電輸出。考慮安裝在設備表面的TEG,外殼表面溫度為50°C。對于具有與前面提到的示例模塊類似的規范的設備,初始輸出為5 V.但是,整個TEG的溫度將繼續上升,直到它與設備外殼達到平衡。雖然小的梯度可能會繼續,但不太可能產生有用的輸出功率。良好的散熱器設計對于優化TEG模塊的有效性至關重要。

可用的TE模塊

現在我們將介紹創建熱電采集系統的一些可能性。非常大的TE模塊可用于50平方毫米或更大。一個例子是Laird 926-1178-ND。制造商的規格適用于將Laird模塊用作熱電熱泵。這是典型的TE數據表。但是,在選擇用于發電的最佳TE模塊時,可以應用簡單的經驗法則。通常由具有最高VMAX x IMAX乘積的設備提供給定尺寸模塊的最佳性能。

采用TE能量收集系統實現熱電能量的收集

圖2:CUI 102-1679-ND 10 W熱電模塊。

對于更多離散應用,實驗或基本概念驗證,還可以使用更小的TE模塊(圖2)。考慮來自CUI的102-1679-ND。該TE也被指定為熱泵,但考慮到該模塊的經驗值為17.8 VA,將提供良好的收獲性能。

有一個更快的啟動和運行解決方案:熱量收集演示套件。 Enocean 1084-1012-ND評估套件(圖3)提供完整的熱能收集系統以及用于315 MHz傳輸的STM 312C無線電模塊。隨著套件的組裝,所有收音機都需要發送信息,讓拇指將TE模塊壓在涼爽的表面上。幾秒鐘后,TEG提供足夠的能量給無線電加電以發送信息。由于熱流的方向決定了TEG的輸出極性,因此只需要注意按壓模塊的正確側面。

采用TE能量收集系統實現熱電能量的收集

圖3:Enocean 1084-1012-ND熱電RF評估套件。

熱能收集既有趣又有力。熱源比比皆是,這通常浪費的能量很容易被熱電發電機清除。熱電材料涵蓋了從適用于無線傳感器網絡的微功率器件的小型器件到用作替代能源或備用電源的大型單元的全部范圍。容-源-電-子-網-為你提供技術支持

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