熱能采集與存儲結合新技術

能量采集是將一部分能量從某個現有的但尚未使用的能量源上分離、獲取以及存儲的過程。熱電發生器（TEG）中的溫差可產生電勢，從而將熱源中的廢熱轉換為另一種能量形式——電能。

能量采集為無線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。

熱電發生器
熱電器件的核心組件是一組熱電偶，它包括一個N型與一個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完整電路。

圖1 熱電熱發生器的熱-電轉換

當熱電偶存在熱梯度時（即頂部比底部熱），熱電發生器(TEG)工作。在該情況下，器件產生電壓并形成電流，根據賽貝克效應，熱能轉化為電能。

將這些熱電偶組串聯，則形成熱電模塊。若熱量在該模塊頂部與底部之間流動（形成溫度梯度），則可產生電壓并形成電流。

薄膜熱電發生器
由薄膜技術制造的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。薄膜熱電發生器比傳統TEG小而且薄，有望利用工業標準生產方法進行直接集成。

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多種方式生成，但通常需要真空沉淀技術，例如通過金屬有機物化學氣相沉積法（MOCVD）反應器。器件采用常規半導體制備工藝制造。

電能產生
熱電發生器以效率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，對應產生更多的電能P。類似地，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，熱電發生器在作為電源的實際應用中，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，可能會出現損壞電池的情況。

如果在TEG選型時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，而且不會受到損害。這種充電方式被稱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，這意味著即使在沒有用于為設備供電的情況下，它們也會逐漸放掉電量。

此外，還有很多其他方法，例如，定時器型、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監控電池并調整充電速率，在使用TEG和電池的集成器件時，微流充電是最有可能被采用的方式。
熱電發生器作為能量轉換的一個途徑，已經引起了人們的興趣。這些器件是非機械的，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用于能量轉換必須存在熱流量。該熱流量必須通過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。

關于TEG的一個常見誤解是，只要將它們放入熱的環境中就會自動產生熱流量。開始時會出現電流，但很快整個TEG將達到熱平衡（各處溫度相同），通過TEG的熱流量將終止，電流也會隨之停止。

另外一個興趣點是，器件外的熱流量會影響附近區域系統的熱力學特性。這是因為TEG具有較高的熱阻。
如此高的熱阻會導致在TEG方向上的熱流減慢，進而導致用于熱源的器件溫度上升。這是由從器件到周圍環境增大的熱阻造成的。為此，用于發電的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。

由于可以通過為排出的熱量提供良好的熱通道的方法來提高模塊性能，因此，提供高導熱通路是有好處的。對于小封裝而言，典型方法是通過它們自身的電氣連接實現，而且根據其運行特性，這種程度的熱管理可能已經夠用了。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。

將熱電發生器與電池和能量單元結合在一起時，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消除電池更換的高額成本來降低設備所有者的總成本。該途徑基于能量獲取技術實現了“即時”電源解決方案，顯著地降低了供電所需的空間，并改進了免維護運行的嵌入式設備的性能。