能量采集系统环境能量转换器基础知识

热电发电机 (TEG) 用于采集环境热能，并根据塞贝克效应 Seebeck effect 「1」产生电压。热采集器的基本结构单元是热电耦。这种热电耦由一个 n 型材料组成，其与一个 p 型材料串联。当这种材料出现温差时，热开始从高温面流向低温面。热能使自由电子和空穴移动，并形成电势。常用热采集器由 p 和 n 掺杂碲化铋组成，原因是其具有优异的热属性。这种材料的一个 p-n 脚可在热冷面之间产生约 0.2 mV/K 温差。

图 2 热电堆阵列和简单的 TEG 电气模型

为了升高输出电压并获得更多的功率（参见图 2），我们将许多脚电串联和热并联，以形成一个能够产生约 25 mV/K 温差的热电堆。这种热能采集器可以建模为一个同电阻串联的电压源，其开路电压与温度差成比例关系。电阻来自于金属互连和芯块边缘的电阻。由此模型，我们可以很容易地知道，要想提取最大功能，就需要对阻抗进行控制，以匹配来自发电机的负载。热能采集器的一个重要方面是，它们周围需要一个正确的热流系统，以保持热通量以及良好的温差。如果 TEG 两面均允许达到热平衡，则电功率输出达到零。