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一種無(wú)線傳感器的能量收集的實(shí)現(xiàn)

作者: 時(shí)間:2011-08-22 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
6 選擇用于發(fā)電的TEG

本文引用地址:http://www.butianyuan.cn/article/178704.htm

  大多數(shù)熱電模塊制造商均未提供有關(guān)輸出電壓或輸出功率與溫差之間關(guān)系的數(shù)據(jù),而這恰恰是熱能器設(shè)計(jì)人員所希望了解的。始終提供的兩個(gè)參數(shù)是VMAX和IMAX,即某個(gè)特定模塊的最大工作電壓和最大工作電流(當(dāng)在某種加熱/冷卻應(yīng)用中處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí))。

  在選擇針對(duì)發(fā)電用途的熱電模塊時(shí),上佳的經(jīng)驗(yàn)法則是在給定的尺寸下選擇具有最大(VMAX°IMAX)乘積的模塊。這通常將提供最高的TEG輸出電壓和最低的源電阻。對(duì)此經(jīng)驗(yàn)法則有一條附加說(shuō)明,這就是散熱器的尺寸必須根據(jù)TEG的尺寸來(lái)確定。較大的TEG需要大一些的散熱器來(lái)最佳的性能。需要注意的是,制造商如果提供了電阻參數(shù)的話,那么指的是AC電阻,這是因?yàn)樗鼰o(wú)法使用DC電流以傳統(tǒng)的方式來(lái)測(cè)量(DC電流會(huì)引發(fā)Seebeck電壓,從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的電阻讀數(shù))。圖9是一幅曲線圖,給出了采用13種不同的TEG時(shí)(固定ΔT=5°C)LTC3108的功率輸出與每個(gè)模塊的(VMAX°IMAX)乘積的關(guān)系曲線。由圖可見(jiàn),當(dāng)VI乘積較高時(shí),LTC3108提供的輸出功率通常也較高。

  

  圖9:LTC3108輸出功率與具有不同V和I乘積的TEG關(guān)系曲線

  圖10示出了一個(gè)邊長(zhǎng)30mm的方形TEG在1°C至20°C的ΔT范圍內(nèi)輸出電壓及最大輸出功率能力。在該ΔT范圍內(nèi),輸出功率從幾百μW到幾十mW不等。需要指出的是:該功率曲線是在假設(shè)擁有理想的負(fù)載匹配且無(wú)轉(zhuǎn)換損耗的情況下得出的。最后,在利用LTC3108提升至一個(gè)較高電壓之后可獲得的輸出功率將由于功率轉(zhuǎn)換損耗的原因而低于圖中示出的數(shù)值。LTC3108的產(chǎn)品手冊(cè)中給出了幾幅在多種不同工作條件下可提供輸出功率的曲線圖。

  

  圖10:典型TEG的開(kāi)路電壓及最大功率輸出

  就給定應(yīng)用而言,所需要的TEG尺寸取決于可用的最小ΔT、負(fù)載所需的最大平均功率、以及用于將TEG的一端保持于環(huán)境溫度的散熱器的熱阻。LTC3108的最大功率輸出位于15°W/K-cm2至30°W/K-cm2之間,具體數(shù)值取決于所選擇的變壓器匝數(shù)比和特定的TEG。表1羅列了一些推薦使用的TEG器件型號(hào)。

  表1:推薦使用的TEG器件

  

  7 需要考慮的熱量問(wèn)題

  當(dāng)把一個(gè)TEG置于兩個(gè)處于不同溫度的面之間時(shí),在加入TEG之前的“開(kāi)路”溫差高于TEG放置到位時(shí)其上的溫差。這是由于TEG本身在其陶瓷板之間具有一個(gè)相當(dāng)?shù)偷臒嶙?通常為1°C/W至10°C/W)所致。

  考慮如下的例子,一部大型機(jī)器在周?chē)h(huán)境溫度為25°C以及表面溫度為35°C的情況下工作。當(dāng)將一個(gè)TEG連接到這臺(tái)機(jī)器時(shí),必須同時(shí)在TEG溫度較低(環(huán)境溫度)的一端加上一個(gè)散熱器,否則整個(gè)TEG將升溫至接近35°C,從而消除掉所有的溫差。需要牢記一點(diǎn):電輸出功率正是產(chǎn)生自流過(guò)TEG的熱量。

  在該例中,散熱器和TEG的熱阻確定了總溫差(ΔT)的哪一部分存在于TEG的兩端。該系統(tǒng)的簡(jiǎn)單熱模型示于圖11。假定熱源(RS)的熱阻可忽略不計(jì),如果TEG的熱阻(RTEG)為2°C/W,散熱器的熱阻為8°C/W,那么落在TEG上的ΔT僅為2°C。在TEG上的溫度只有區(qū)區(qū)幾°C的情況下,其輸出電壓很低,此時(shí)LTC3108能夠依靠超低輸入電壓工作的重要性就凸顯出來(lái)了。

  

  圖11:TEG和散熱器的熱阻模型

  請(qǐng)注意:由于較大的TEG其表面積增大了,所以大型TEG通常比小型TEG熱阻低。因此,在那些于TEG的一端采用了一個(gè)較小散熱器的應(yīng)用中,較大的TEG上的ΔT有可能小于較小的TEG,故而未必會(huì)提供更多的輸出功率。無(wú)論在何種情況下,都應(yīng)采用具有盡可能低熱阻的散熱器,以通過(guò)最大限度地提高TEG上的溫度差來(lái)電輸出的最大化。

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