[发明专利]热电发电机

说明书

一种用于为电子设备供电的设备包括在温度梯度上应用的热电发电机（TEG）。TEG单元的前馈和反馈控制的组合允许连续操作，其对于例如昼夜循环的持续时间上的温度梯度的反转是稳健的。

技术领域和背景技术

本发明在其一些实施例中涉及热电发电机。

热电发电机基于塞贝克（Seebeck）效应。塞贝克效应是将温度差直接转换成电。塞贝克发现了：当由两个地方中接合的两个金属形成闭环（其中在接合之间具有温度差）的时候，罗盘针将会偏转。这是因为金属不同地响应于温度差，其创建电流环路，并且因而产生磁场。效应是：在两个不同的金属或半导体之间存在温度差的情况下创建电压、热电EMF，从而如果导体形成完整环路则在导体中引发连续的电流。所创建的电压大约为每开尔文若干微伏。如图1中所示，T₁和T₂是热和冷温度，其在A和B类型的材料之间限定热10和冷12接合。温度梯度使得在端子14和16之间出现电压V。

现在参考图2，图2图示了热水管道20。围绕热水管道的是一层热电发电机（TEG）22以及散热器24，所述散热器24将TEG连接到环境空气。可以对如下作出估计：当行进通过管道的水设立了与环境空气的温度梯度的时候可用于收获的能量的量。直径足够大以假定小面积的管道壁可以被认为是平坦的表面。事实上，圆形到多面体界面可以被插入以提供良好的热接触。

对于粗略的计算，我们还可以假定：在液体和壁之间的热传递系数比在壁和环境空气之间的热传递系数更高得多。仅仅三到五年之前，收获毫瓦的功率被认为是无意义的。

然而，现今存在众多设备、诸如传感器，其使用非常低的功率水平，并且其可以有用地是自主的，意味着不依赖于近旁的电力网或人力来取代电池。超低功率设备是现今电子装备市场的大部分，并且功率节省也已经变成重要的问题。众多不同类型的设备（诸如无线传感器、警报等等）使用锂镉电池作为电源，并且电池的工作循环需要每一或两年的更换。这样的设备的优点是：它们可以在难以接近的地方运作，但是使用电池的主要问题是有人必须非常经常地检查并更换电池一次，因而使得这样的设备远不太经济并且因此限制其部署。

在锂镉电池情况下的另外的问题是：电池对环境不友好，并且不容易处理掉，尤其是在其中最需要远离电力网的远程感测的位置中的一些中。

问题的潜在解决方案是使用一种自主电源，其能够从环境中生成能量。收获废热是研究的流行主题，但是问题之一是要找到可以最多地（如果不是所有时间的话）使用的源。太阳能仅仅在太阳照射的时候可用。风能仅仅在起风的时候可用，并且温度梯度倾向于在白天和夜间反转，从而使得它们难以被开发。

此外，太阳能和风能两者在被围封的位置（诸如隧道、矿井、地下室、以及水管和下水道装置）中不可用。如图2中在热管道上的常规构造的TEG层被构造用于在给定方向上的温度梯度。为了使方向反转，需要电流桥、DC到DC转换器或类似的电路来用于功率优化。在图3中示出了示例，其示出TEG元件30，所述TEG元件30经由控制系统34、DC/DC转换器36和电容器38而被连接到负载32。

然而，电流桥或类似的电路并不高效，并且不能用于其中所意图的输出小于瓦特范围的电路。然而，在一年的过程内使用1.2V输出电压的1000 mA·h锂镉电池的设备的平均功率消耗在大约140-200μW的范围中。

因而，不需要来自自主能量源的大量功率来取代电池或为可再充电的电池充电并且持续设备的整个寿命。然而，能够在接近100%的时间的任何时间提供低水平功率的合适自主能量源当前不可用。

发明内容

本实施例可以提供一种以如下方式利用不同热容的主体之间的热流的方法：所述方式可配置，适合用于毫瓦以及更少的低功率水平，并且在温度梯度的反转面中的昼夜温度循环的过程上运作。本实施例因而可以提供一种用于为电子设备供电的设备，其包括在温度梯度上应用的热电发电机（TEG）单元。