一種無線傳感器的能量收集的實現(xiàn)

　　大多數(shù)熱電模塊制造商均未提供有關輸出電壓或輸出功率與溫差之間關系的數(shù)據(jù)，而這恰恰是熱能收集器設計人員所希望了解的。始終提供的兩個參數(shù)是VMAX和IMAX，即某個特定模塊的最大工作電壓和最大工作電流(當在某種加熱/冷卻應用中處于驅動狀態(tài)時)。

　　在選擇針對發(fā)電用途的熱電模塊時，上佳的經(jīng)驗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。對此經(jīng)驗法則有一條附加說明，這就是散熱器的尺寸必須根據(jù)TEG的尺寸來確定。較大的TEG需要大一些的散熱器來實現(xiàn)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，這是因為它無法使用DC電流以傳統(tǒng)的方式來測量(DC電流會引發(fā)Seebeck電壓，從而產(chǎn)生錯誤的電阻讀數(shù))。圖9是一幅曲線圖，給出了采用13種不同的TEG時(固定ΔT=5°C)LTC3108的功率輸出與每個模塊的(VMAX°IMAX)乘積的關系曲線。由圖可見，當VI乘積較高時，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關系曲線

　　圖10示出了一個邊長30mm的方形TEG在1°C至20°C的ΔT范圍內輸出電壓及最大輸出功率能力。在該ΔT范圍內，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擁有理想的負載匹配且無轉換損耗的情況下得出的。最后，在利用LTC3108提升至一個較高電壓之后可獲得的輸出功率將由于功率轉換損耗的原因而低于圖中示出的數(shù)值。LTC3108的產(chǎn)品手冊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的開路電壓及最大功率輸出

　　就給定應用而言，所需要的TEG尺寸取決于可用的最小ΔT、負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。

　　表1:推薦使用的TEG器件

　　7 需要考慮的熱量問題

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

　　考慮如下的例子，一部大型機器在周圍環(huán)境溫度為25°C以及表面溫度為35°C的情況下工作。當將一個TEG連接到這臺機器時，必須同時在TEG溫度較低(環(huán)境溫度)的一端加上一個散熱器，否則整個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：電輸出功率正是產(chǎn)生自流過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)的簡單熱模型示于圖11。假定熱源(RS)的熱阻可忽略不計，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LTC3108能夠依靠超低輸入電壓工作的重要性就凸顯出來了。

　　圖11：TEG和散熱器的熱阻模型

　　請注意：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的一端采用了一個較小散熱器的應用中，較大的TEG上的ΔT有可能小于較小的TEG，故而未必會提供更多的輸出功率。無論在何種情況下，都應采用具有盡可能低熱阻的散熱器，以通過最大限度地提高TEG上的溫度差來實現(xiàn)電輸出的最大化。