- 熱電發(fā)生器的組成
- 熱電發(fā)生器的電能產(chǎn)生原理
- 薄膜熱電發(fā)生器
- TEG與存儲器件的組合
熱量采集是將一部分能量從某個(gè)現有的但尚未使用的能量源上分離、獲取以及存儲的過(guò)程。熱電發(fā)生器（TEG）中的溫差可產(chǎn)生電勢，從而將熱源中的廢熱轉換為另一種能量形式——電能。
能量采集為無(wú)線(xiàn)傳感器等設備提供了直接供電的可能。但是，如果熱能要被視為一種穩定的電源，就必須考慮熱源的穩定性。將薄膜熱電發(fā)生器與能量存儲器件相結合，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型半導體，兩者由金屬板相連。在P與N型材料對端的導電連接構成了一個(gè)完整電路。
圖1熱電熱發(fā)生器的熱-電轉換
當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，根據賽貝克效應，熱能轉化為電能。
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TEG小而且薄，有望利用工業(yè)標準生產(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)金屬有機物化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）反應器。器件采用常規半導體制備工藝制造。
電能產(chǎn)生
熱電發(fā)生器以效率η將熱能（Q）轉化為電能（P）。
P=ηQ(1)
設備體積越大，利用的熱量Ｑ也越大，對應產(chǎn)生更多的電能P。類(lèi)似地，所用的能量轉換器的數量增加一倍，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構型的特殊約束，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量更為便利（如式2所示）。這對于熱電發(fā)生器特別方便，因為該器件具有良好的可擴展性：大規模器件可通過(guò)小模塊陣列輕松組成。
P/A=ηQ/A(2)
TEG與存儲器件的組合
根據熱源的穩定性情況，熱電發(fā)生器在作為電源的實(shí)際應用中，可以選擇以下兩種方式之中的一種：若熱源足夠大且穩定，則直接使用；通過(guò)為電池或其他能量存儲器件充電的方式使用。
對帶有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。當然，如果電壓或電流非常大，可能會(huì )出現損壞電池的情況。
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(chēng)為對電池的微流充電。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(zhù)即使在沒(méi)有用于為設備供電的情況下，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、感應型和脈沖型。由于不需要額外增添任何穩壓電路來(lái)監控電池并調整充電速率，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。這些器件是非機械的，這意味著(zhù)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(lèi)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 )出現電流，但很快整個(gè)TEG將達到熱平衡（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 )影響附近區域系統的熱力學(xué)特性。這是因為T(mén)EG具有較高的熱阻。如此高的熱阻會(huì )導致在TEG方向上的熱流減慢，進(jìn)而導致用于熱源的器件溫度上升。這是由從器件到周?chē)h(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，提供高導熱通路是有好處的。對于小封裝而言，典型方法是通過(guò)它們自身的電氣連接實(shí)現，而且根據其運行特性，這種程度的熱管理可能已經(jīng)夠用了。對于更高熱密度的封裝，熱管理中可能需要使用導熱饋通或導熱端。
將熱電發(fā)生器與電池和能量單元結合在一起時(shí)，可為許多自助式自供電應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)降低設備所有者的總成本。該途徑基于能量獲取技術(shù)實(shí)現了“即時(shí)”電源解決方案，顯著(zhù)地降低了供電所需的空間，并改進(jìn)了免維護運行的嵌入式設備的性能。
