采用TE能量收集系统实现热电能量的收集

在自然环境和人造环境中几乎无处不在。它们很容易辨认，因为它们往往是个人不适的根源。我们穿着温暖，以减少在寒冷的一天损失的身体热量，而加热和空调通过设置室内空气温度，以满足个人喜好，提高舒适度。然而，通常不希望的温度梯度可以用所谓的热电效应进行有用的工作。

热电效应（TE）已有近两个世纪的历史。托马斯·约翰·塞贝克（Thomas Johann Seebeck）发现，在温度梯度上放置的不同金属可以偏转罗盘针。每单位温度产生电压的材料或器件的系数称为塞贝克系数（以V/°C表示）。

热电装置最常用作冷却用热泵，通常称为Peltier冷却器。这源于1884年Jean Charles Athanase Peltier的发现，即通过两种金属之间的连接处的电流将在一侧吸收热量并在另一侧产生热量。

便携式固态冷却多年来证明非常有用，特别是在红外探测器等设备中。然而，正如Seebeck所注意到的那样，该设备将反过来工作，这在今天作为一种收集热能并将其用于微功率电子设备的方法非常有用。

实现一系列n型和p型半导体支路的夹层（图1）创建了典型的TE模块。腿是碲化铋或碲化锑的颗粒。腿绑在一起以形成串联电连接和并联热连接。模块的顶部和底部通常是氧化铝陶瓷，以提供电绝缘和良好的导热性。

完整模块的塞贝克系数取决于其他因素，但对于原始碲化铋材料，某些组合物的最高可达-287μV/°C。对于尺寸适中，大约一平方英寸（单级模块厚度在2到5毫米之间）的完整模块，可以产生超过100 mV/°C。

图1：热电发电机模块结构。 （由Linear Technology提供。）TE能量收集

TE能量收集系统利用其两个表面之间的任何温差。温度梯度无处不在。我们遇到的各种设备在远高于周围环境的温度下运行。考虑到核心体温为37°C，我们自己的身体相对温暖。皮肤温度通常在32℃的范围内。对于典型的室内空气温度，连接到人体皮肤的收割机可提供高达10°C的ΔT。与我们每天使用的大多数机器相比，人体的废热是微不足道的。任何温暖的东西，如您的笔记本电脑，将提供比标准室内空气温度下人体皮肤10°左右更多的收获潜力。在容易获得的废热的最末端是内燃机废气。废气本身可以达到几百度，远高于用于构建热电模块的焊料的熔化温度，但是这个例子说明了容易接近的非常高的温度梯度。设想用于保护TE模块的绝缘材料的收割机也不难。

无论热电发电机（TEG）是用于收集几度或一百度的温度梯度，都应用相同的设计原则。其中最主要的是需要保持温度梯度。通过热流在TE装置中移动电荷。没有温差，发电机没有热流和电输出。考虑安装在设备表面的TEG，外壳表面温度为50°C。对于具有与前面提到的示例模块类似的规范的设备，初始输出为5 V.但是，整个TEG的温度将继续上升，直到它与设备外壳达到平衡。虽然小的梯度可能会继续，但不太可能产生有用的输出功率。良好的散热器设计对于优化TEG模块的有效性至关重要。

可用的TE模块

现在我们将介绍创建热电采集系统的一些可能性。非常大的TE模块可用于50平方毫米或更大。一个例子是Laird 926-1178-ND。制造商的规格适用于将Laird模块用作热电热泵。这是典型的TE数据表。但是，在选择用于发电的最佳TE模块时，可以应用简单的经验法则。通常由具有最高VMAX x IMAX乘积的设备提供给定尺寸模块的最佳性能。

图2：CUI 102-1679-ND 10 W热电模块。

对于更多离散应用，实验或基本概念验证，还可以使用更小的TE模块（图2）。考虑来自CUI的102-1679-ND。该TE也被指定为热泵，但考虑到该模块的经验值为17.8 VA，将提供良好的收获性能。

有一个更快的启动和运行解决方案：热量收集演示套件。 Enocean 1084-1012-ND评估套件（图3）提供完整的热能收集系统以及用于315 MHz传输的STM 312C无线电模块。随着套件的组装，所有收音机都需要发送信息，让拇指将TE模块压在凉爽的表面上。几秒钟后，TEG提供足够的能量给无线电加电以发送信息。由于热流的方向决定了TEG的输出极性，因此只需要注意按压模块的正确侧面。

图3：Enocean 1084-1012-ND热电RF评估套件。

热能收集既有趣又有力。热源比比皆是，这通常浪费的能量很容易被热电发电机清除。热电材料涵盖了从适用于无线传感器网络的微功率器件的小型器件到用作替代能源或备用电源的大型单元的全部范围。