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热能采集与存储:完美结合
来源:本站整理  作者:佚名  2010-04-08 19:21:20



能量采集是将一部分能量从某个现有的但尚未使用的能量源上分离、获取以及存储的过程。热电发生器(TEG)中的温差可产生电势,从而将热源中的废热转换为另一种能量形式——电能。


能量采集为无线传感器等设备提供了直接供电的可能。但是,如果热能要被视为一种稳定的电源,就必须考虑热源的稳定性。将薄膜热电发生器与能量存储器件相结合,就为管理能量源的变化性提供了一种理想的解决方案。

热电发生器
热电器件的核心组件是一组热电偶,它包括一个N型与一个P型半导体,两者由金属板相连。在P与N型材料对端的导电连接构成了一个完整电路。

图1 热电热发生器的热-电转换


当热电偶存在热梯度时(即顶部比底部热),热电发生器(TEG)工作。在该情况下,器件产生电压并形成电流,根据赛贝克效应,热能转化为电能。


将这些热电偶组串联,则形成热电模块。若热量在该模块顶部与底部之间流动(形成温度梯度),则可产生电压并形成电流。

薄膜热电发生器
由薄膜技术制造的TEG能提高能量转换的性能,从而提高它们作为能量源的能力。薄膜热电发生器比传统TEG小而且薄,有望利用工业标准生产方法进行直接集成。


薄膜是厚度范围从不足1纳米到几微米的材料层。薄膜热电材料可通过多种方式生成,但通常需要真空沉淀技术,例如通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)反应器。器件采用常规半导体制备工艺制造。

电能产生
热电发生器以效率η将热能(Q)转化为电能(P)。


P=ηQ                     (1)


设备体积越大,利用的热量Q也越大,对应产生更多的电能P。类似地,所用的能量转换器的数量增加一倍,由于所获得的热能增加一倍,所以产生的电能自然也增加一倍。不考虑热流量与系统构型的特殊约束,使用每单位面积生成的热能(P/A)与热流量密度(Q/A)相比使用电能与消耗热量的绝对量更为便利(如式2所示)。这对于热电发生器特别方便,因为该器件具有良好的可扩展性:大规模器件可通过小模块阵列轻松组成。

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