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热电发电机

阅读：130发布：2020-05-11

IPRDB可以提供热电发电机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且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。，下面是热电发电机专利的具体信息内容。

1.一种用于为电子设备供电的设备，包括：热电发电机单元，所述热电发电机单元包括热电偶，所述热电偶用于跨不相似材料的不同热性质所引起的温度梯度的连接；

所述设备被配置有所述热电发电机单元的前馈控制和所述热电发电机单元的反馈控制。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述前馈控制基于稳定状态模型。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述前馈和反馈控制被配置成管控发电过程期间所述阵列的电流电压特性。

4.根据权利要求1所述的设备，此外包括能量存储单元，所述能量存储单元被配置成累积能量，从而允许需要高功率的短突发的设备的供电。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个单元包括多个热电发电机元件，每个元件包括热电偶，所述元件不单独可开关。

6.根据权利要求3所述的设备，其中所述控制器被配置成针对所述发电机中的内部电阻中的变化进行校正，并且为负载提供阻抗匹配。

7.根据权利要求1所述的设备，其被连接在不同材料的两个主体之间，所述前馈和反馈组合来在昼夜循环的两个半部上提供生成。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述前馈控制基于静态模型，并且所述反馈控制基于系统动力学而针对所述静态模型中的误差进行校正。

9.根据权利要求1所述的设备，其当被配合在具有不同热性质的两个位置之间时，从而从作用于所述两个位置的源提取能量。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述源是昼夜源，在昼夜循环上反转方向，并且所述设备是可控的以在所述循环的两个部分上提取能量。

11.一种为有源TEG阵列选择TEG部件的方法，其包括：使用线性近似和戴维南模型来为给定温度梯度上的稳定状态发电建模；以及使用所述建模的结果来选择所述阵列的部件。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述戴维南模型是两极类型模型，其包括电压源和内部电阻。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，包括将热电发电机包括在所述模型中。

14.根据权利要求13所述的方法，其包括优化热路径。

15.根据权利要求14所述的方法，其包括使用电路建模软件来为电路径和所述热路径两者一起建模。

16.根据权利要求14所述的方法，其中选择所述部件包括选择TEG来与所述经优化的热路径的所指定的温度梯度和所指定的热移除相对应。

17.根据权利要求11所述的方法，此外包括：实施对热源温度和环境温度的连续测量；

计算发电机的内部电阻值；以及

作出校正以使负载与所述内部电阻值匹配。

18.一种电子设备，其使用权利要求11的方法来被供电。

19.根据权利要求18所述的电子设备，其是由微瓦功率水平设备、毫瓦功率水平设备、瓦特功率水平设备和千瓦功率水平设备构成的群组中的一个成员。

20.一种为自主设备供电的方法，包括：

向所述自主设备附连TEG单元；

跨温度梯度来布置所述TEG单元；

使用前馈和反馈控制中的至少一个来为所述自主设备产生电输出，其基于在昼夜循环的两个部分上的所述温度梯度。

21.根据权利要求20所述的方法，包括组合所述前馈和反馈控制来为所述自主设备产生电输出，其基于在昼夜循环的两个部分上的所述温度梯度。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述组合包括：检测所述温度梯度中的反转；

重新配置所述前馈控制的部件；以及

使用所述反馈控制来校正所述部件。

23.根据权利要求20所述的方法，包括使用前馈和反馈控制中的所述至少一个来实施最大功率点追踪。

说明书全文

热电发电机

[0001] 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。
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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

[0011] 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。
[0012] TEG单元的前馈和反馈控制的组合允许连续的操作，其对于例如在昼夜循环的持续时间上的温度梯度的反转是稳健的（robust）。
[0013] 根据本发明的一些实施例的一方面，提供有一种用于为电子设备供电的设备，其包括：热电发电机单元，所述热电发电机单元包括热电偶，所述热电偶用于跨不相似材料的不同热性质所引起的温度梯度的连接；
所述设备被配置有热电发电机单元的前馈控制和热电发电机单元的反馈控制。
[0014] 在实施例中，前馈控制基于稳定状态模型。
[0015] 在实施例中，前馈和反馈控制被配置成管控发电过程期间阵列的电流电压特性。
[0016] 实施例可以包括能量存储单元，所述能量存储单元被配置成累积能量，从而允许为需要高功率的短突发的设备供电。
[0017] 在实施例中，所述至少一个单元包括多个热电发电机元件，每个元件包括热电偶，所述元件不单独可开关。
[0018] 在实施例中，所述控制器被配置成针对发电机中的内部电阻中的变化进行校正，并且为负载提供阻抗匹配。
[0019] 实施例可以被连接在不同材料的两个主体之间，所述前馈和反馈组合来在昼夜循环的两个半部上提供生成。
[0020] 在实施例中，前馈控制基于静态模型，并且反馈控制基于系统动力学而针对静态模型中的误差进行校正。
[0021] 所述设备可以配合在具有不同热性质的两个位置之间，从而从作用于两个位置的源提取能量。
[0022] 在实施例中，源是昼夜源（diurnal source），在昼夜循环上反转方向，并且设备是可控的以在循环的两个部分上提取能量。
[0023] 根据本发明的第二方面，提供了一种为有源TEG阵列选择TEG部件的方法，其包括：使用线性近似和戴维南（Thevenin）模型来为给定温度梯度上的稳定状态发电建模；以及
使用建模的结果来选择阵列的部件。
[0024] 在实施例中，戴维南模型是两极类型的模型，其包括电压源和内部电阻。
[0025] 热电发电机可以被包括在所述模型中，并且所述模型可以此外包括优化热路径。
[0026] 所述模型可以通过使用电路建模软件来一起提供电路径和热路径两者。
[0027] 在实施例中，选择部件包括选择TEG来与经优化的热路径的所指定的温度梯度和所指定的热移除相对应。
[0028] 所述方法可以此外包括：实施对热源温度和环境温度的连续测量；
计算发电机的内部电阻值；以及
作出校正以使负载与内部电阻值匹配。
[0029] 根据本发明的第三方面，提供了一种为自主设备供电的方法，其包括：向所述自主设备附连TEG单元；
跨温度梯度来布置TEG单元；
使用前馈和反馈控制中的至少一个来为所述自主设备产生电输出，其基于在昼夜循环的两个部分上的温度梯度。
[0030] 除非另外定义，否则本文中所使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所关于的领域中的普通技术人员所通常理解的相同含义。尽管与本文中所述的那些相似或等同的方法和材料可以被使用在本发明的实施例的实践或测试中，但是在以下描述示例性的方法和/或材料。在冲突的情况中，包括定义的专利说明书将掌控。另外，材料、方法和示例仅仅是说明性的并且不旨在必定是限制性的。
[0031] 本发明的实施例的方法和/或系统的实现方式可以涉及通过使用硬件、软件或固件或通过其组合（包括使用操作系统）来执行或完成所选任务。
[0032] 例如，用于执行根据本发明的实施例的所选任务的硬件可以被实现为芯片或电路，并且这些是本文中所讨论的实施例。作为软件，根据本发明的实施例的所选任务可以被实现为由计算机通过使用任何合适的操作系统所执行的多个软件指令。在本发明的示例性实施例中，根据如本文中所述的方法和/或系统的示例性实施例的一个或多个任务由数据处理器执行。

附图说明

[0033] 本发明的一些实施例在本文中参考附图、仅仅作为示例被描述。现在详细地具体参考附图，强调的是：所示出的详情作为示例并且用于本发明的实施例的说明性讨论的目的。在这方面，利用附图所进行的描述使得如何可以实践本发明的实施例对于本领域技术人员而言显而易见。
[0034] 在附图中：图1是现有热电发电机（TEG）的简化示意图；
图2是简化的图解，其示出了如何可以使TEG配合在流体管道周围以使用流体作为热源；
图3是简化图解，其示出了如何在控制系统的情况下包括图1的TEG来为负载供电；
图4是简化图解，其示出了根据本发明的第一实施例的被连接来为负载供电的可开关的TEG阵列；
图5a是图示了昼夜循环的简化图解；
图5b是简化图解，其示出了在图5a的昼夜循环期间、在具有不同热容或时间常量的两个主体之间的能量流，其意指热传导率上的热容；
图6是简化图解，其图示了本发明的实施例，其中TEG被连接在两个主体之间以通过使用在图5b的昼夜循环的两个部分上的温度梯度来发电；
图7是简化的流程图，其图示了根据本发明的实施例的用于使用有源开关的TEG阵列的程序，其考虑温度梯度的反转；
图8是简化流程图，其图示了根据本发明的实施例的对TEG阵列建模以便选择最优部件的过程；
图9是简化流程图，其示出了可以如何扩展图8的程序来校正TEG内部电阻以匹配负载；
图10a是TEG阵列的简化剖面透视图；
图10b是TEG阵列部件的视图；
图11是简化视图，其示出了通过TEG阵列部件的热流；
图12是根据本发明的实施例的用于将图11的TEG阵列热流建模为电部件的简化模拟方案；
图13a是简化图表，其图示了来自模型的R（L 负载电阻）扫掠（sweep）的结果，并且示出了针对空气和热源之间5℃的温度差、在负载范围上的功率/电压曲线；
图13b是简化图表，其示出了针对不同温度、对照电流的功率和电压曲线；
图14是简化示意图，其图示了包括热源、TEG和散热器的常规热电系统；并且在旁边示出了根据本发明的实施例的在稳定状态条件下、在热源的温度Ts与环境温度之间的热流的等效电路可视化；
图15将图14的TEG图示为同质固态主体，其仅仅在一个维度上、从热表面到冷表面具有热导率，并且示出了由于傅里叶热传递而通过主体的热流；
图16是简化图解，其示出了根据本发明的实施例的针对热域和电域两者的TEG的等效电路；
图17是简化示意图，其示出了被连接到负载的TEG的两端子戴维南类型的等效电路；
图18a和18b是简化图表，其图示了针对特定TEG的V-I（a）和P-I（b）曲线的示例；
图19a和19b用实线示出了所选模块的相应的V-I和P-I特性，在旁边是两个其它模块的特性，所述两个其它模块的热阻在一个情况中大于最优的并且在另一情况中小于最优的；
图20a、20b和20c示出了实验测量的曲线的示例，（a）示出了针对给定ΔT和Tamb以及散热器的热阻的变量值的TEG的I-V曲线，（b）示出了针对不同TEG、针对已知ΔT、Tamb和的I-V曲线，并且（c）示出了针对不同TEG、针对已知ΔT、Tamb和 的P-I曲线 ；
图21是简化图解，其示出了根据本发明的实施例的实验TEG阵列和控制系统，其为负载供电；
图22图示了针对图21的TEG阵列的控制和测量布置；
图23是简化图解，其图示了根据单个TEG的本实施例的等效电路，其中粗线指示模型的热部分，并且连续非粗线指示模型的电部分；以及
图24是TEG的简化模型，其中TEM的热阻和热容、以及所附连的陶瓷板的热容被表示为集总元件。

具体实施方式

[0035] 本发明在其一些实施例中涉及从温度梯度中发电，其对于该温度梯度的改变以及甚至反转是有弹性的。
[0036] 在16-25cm2的面积（单个TE模块的标准面积）上的140-200μW的功率水平在宽范围的地方可用，并且可以通过直接能量转换来被收获。这样的提议基于关于热电设备研究的先前实验，但是在尝试实现直接能量转换中已经经历问题。本实施例提供了在现有系统中的改进，其允许生成接近理论最大值的能量的量。
[0037] 本实施例可以此外提供一种如下的方式：为低温度差选择最优热电模块，匹配模块和热交换器的热阻，设计节省功率且高效的转换器，并且找到用于最大功率点追踪的准则和算法。结果得到的热电模块可以被并入到超低电压技术、诸如自主传感器中，并且特别适合于远程位置中的传感器以及根据Zigbee协议运作（例如形成微网络作为物联网的一部分）的传感器。
[0038] 在详细解释本发明的至少一个实施例之前，要理解的是，本发明在其应用中不一定受限于在以下描述中所阐明的和/或在附图和/或示例中所说明的方法和/或部件的布置以及构造的细节。本发明能够有其它实施例或者能够以各种方式被实践或实施。
[0039] 现在参考各图，在背景技术中讨论了图1至3。
[0040] 现在参考图4，其示出了热电发电机（TEG）阵列40，所述热电发电机（TEG）阵列40被连接到控制系统42，并且为负载44供电。
[0041] 可以仅仅通过组合多个TEG元件来构造阵列。
[0042] 替换地，阵列可以有用地被构造为集成电路，例如用CMOS技术。其它合适的技术可以包括单晶和多晶、MEMS、薄膜和有机热电技术，并且另外的技术预期在接下来几年中变得可用。TEG元件本身可以用CMOS技术来被构造，连同可以被提供在相同芯片上的控制系统，和换向系统，并且连同DC/DC转换器。所需的输出电压值还可以通过TEG群组的受控的重换向来被实现，以避免在电感器或类似元件中的使用。控制系统向阵列提供对温度梯度的改变以及甚至反转的弹性。
[0043] 控制器34可以提供如将在以下更详细描述的前馈和反馈控制的组合，使得使用TEG阵列来在该天的所有时间供应毫瓦和微瓦规模的负载是可能的，尽管温度梯度经受昼夜循环。
[0044] 控制器可以另外地但不一定使单元在串联和并联电配置之间切换，或可以使一行或多行短路，例如以获得不同的操作点。
[0045] 现在参考图5a-b，其图示了昼夜循环，包括在白天期间的加热以及在晚上的冷却。加热和冷却由进入 和外出 的辐射热交换过程表示。
[0046] 在白天期间，朝向地球表面和大气进入的能量的源是太阳辐射。在晚上时间，由于外出去往空间的辐射，能量离开地球表面和大气。作为结果，地球的任何局部区域的平均温度以24小时为周期相互变化。
[0047] 现在参考图6，其描绘了在具有公共表面的两个介质（agent）之间的温度梯度。梯度可以具有正或负方向，并且几乎贯穿昼夜循环而存在。梯度的值是低的，有时仅仅是几开尔文，但是由于梯度而在介质之间流动的热可以总计达每平方厘米数百毫瓦，其取决于在介质之间的热交换系数。能量可以被部分地提取，转换成电能，被存储，并且被用作用于低功率电子设备（诸如有源传感器、无线发射器等等）的自主电源。被供给到负载设备的平均功率必须小于或等于从热源收获的并且被存储在能量存储单元中的平均功率。
[0048] 收获热能的可能的方式是借助于热电发电机（TEG）来收获。TEG是提供从热能向电能的直接能量转换的设备，如以上所讨论的。
[0049] 现在参考图6，其是交变温度梯度能量收获器的示例性方案。TEG 50被夹在具有不同热性质的两个介质52和54之间以生成低频AC电压。双极性转换器56提供与TEG 50的最优阻抗匹配，并且将DC电能供应给能量存储装置58。
[0050] 本实施例将TEG 50放置为在两个介质52和54之间的热接触表面。TEG 50生成交变电压，其由于昼夜循环而具有为24小时的非常长的周期。双极性功率转换器56对于收获电能并且将它存储在存储单元58中而言是必要的，所述存储单元58可以是超级电容器，或另一类型的蓄电池。双极性功率转换器56可以使从TEG 50到存储装置58的功率流最大化。
[0051] 最大功率点追踪（MPPT）算法60用来提供这样的最大流。考虑到所有动态过程由于介质的相对大的热质量而具有长的响应时间，可以采用前馈（FF-MPPT）62算法。FF-MPPT考虑热源的温度条件，并且通过使用在以下更详细讨论的模型来计算针对最大流条件的最优操作点。反馈（FB-MPPT）算法校正FF-MPPT的误差并且通过输出功率的最大化而找到确切功率点。
[0052] 首先，反馈算法FB-MPPT可以用来通过使用TEG的标准模型来将功率最大化。
[0053] 标准模型考虑在TEG中发生的五个主要过程，现在来对其进行讨论。
[0054] 在热电模块中发生的五个主要物理过程是：热对流——被称为傅里叶过程的现象，其由物理常量k（ ）来描述，其由球团的
热导率和几何结构来确定。
[0055] 球团中的热传递等式为：其中x是沿着热流路径的距离，L/A是几何因子，L——球团的高度（m），A——球团的截面面积（㎡），T——温度（K），并且q——热（W）。 是球团对的热阻，可以被表述为：
模块的被并联地热连接的N对的总热阻可以是：
焦耳加热是电阻性元件中的热耗散的物理过程。球团对的电阻R是：
其中 ——以每米欧姆为单位的材料电阻率， ——TEM的焦耳加热（W），I——电流（A），并且 是具有N对的TEM的总电阻。
[0056] 塞贝克发电是一过程，通过所述过程，两个不相似材料的接合的加热（或冷却）生成跨接合的电势。TEM的电动势（U）可以被表述为：其中 是与特定材料对相对应的塞贝克系数。下标（a）和（e）对应地限定热吸
收表面和热发射表面的温度。 是对应接合的温度。对于TEG，其由串联连接的N对组成，等效塞贝克系数 可以被使用：
珀尔帖冷却/加热——是由于通过TEG的电流而从吸收到发射侧的泵送现象。由TEG在对应侧吸收/发射的热 是：
珀尔帖冷却/加热 对于电流方向敏感，因而，在正方向上（从p型材料到n型材料）传导电流的TEG接合的半部将吸收热，而另一半部（其中电流在相反方向上流动）将释放热。
[0057] 附加的热电现象——汤普森现象，由汤普森系数 来描述。此现象的效应是小的，并且因此通常被忽略。
[0058] 两端子/两极等效电路模型（其可以被视为TEG的设计者友好模型）在下文中关于图17被讨论，其中为低温应用提供了TEG的经修改的三端口模型。
[0059] 在图17中示出了针对系统“固态热源——空气”的简化方案。TEG的输出电阻（其仅仅稍微非线性）取决于热侧和冷侧温度两者，取决于温度差，并且取决于外出负载电流，不仅仅取决于TEG的欧姆电阻。
[0060] 装备情况下的TEG的两端子（两极）戴维南类型的等效电路。
[0061] 在下文中讨论从制造商的库存中为特定应用选择最优TEG的方式。遵循计算，其中最优TEG在使用中的情况下可用于收获的最大功率是：其中 是可用温度梯度，尽管与作为整体的模块上的温度梯度不相同，Z是针对在
TEG中所使用的热电材料的品质因数，并且 是针对给定梯度和热交换器的热能的量。等式
11仅仅在热和电优化的情况中有效。在等式11中：
。
[0062] 现在参考图7，其是简化流程图，图示了用于为自主设备供电的TEG阵列的部署。自主设备70被附连72到TEG阵列，其被跨温度梯度74来设置。温度梯度可以是可邻近自主设备部署存在的任何温度梯度。由于所需的小功率水平，梯度可以非常小。
[0063] 在部署期间，TEG阵列可以被有源地开关76以为自主设备产生电输出，其基于温度梯度、所需负载以及最优操作点。现在，许多温度梯度可反转，比方说在白天转变成夜晚时并且反之亦然，因此使用前馈和反馈控制的控制可以为TEG阵列提供对于反转的充足弹性，使得阵列可以连续为设备供电。
[0064] 现在参考图8，其图示了用于为TEG阵列选择TEG部件的方法80，其基于为发电过程建模，为给定温度梯度上的稳定状态发电建模。
[0065] 所述方法可以使用82线性近似，并且使用戴维南模型（例如两极戴维南模型）来为稳定状态建模。所述模型将热和电方面两者一起并入作为电部件，并且在框83中通过向模型部件提供参数而优化热和电路径两者。在框84中，模型用来选择与模型参数兼容的现实世界部件，以优化过程。
[0066] 戴维南模型可以是两极类型模型，其包括电压源和内部电阻，如将在以下更详细地被讨论的，并且可以包括热电发电机作为模型部件。
[0067] 所述方法可以用来找到最优热路径，并且选择部件可以涉及选择TEG来与经优化的热路径的所指定的温度梯度和所指定的热移除相对应。类似的考虑可以被应用到电路径。所述方法以这样的方式来组合前馈和反馈：即前馈引导用于反馈的参数，以校正误差并且给出快速收敛。
[0068] 现在参考图9，其是简化图解，图示了图8中的模型过程的前馈部分，以实现与负载的动态电阻匹配，并且提供电阻参数以用于反馈控制。在已知领域中，匹配内部电阻与负载的仅有方式是基于连续测量，其增加对于电路的复杂度和无效率。
[0069] 本模型允许代替地计算内部电阻。如图9中所示，环境温度和热源连续地被测量90、92，并且被用作对于模型的输入。模型计算发电机94的内部电阻，并且然后可以通过动态开关来校正内部电阻以匹配负载。
[0070] 更具体地，存在阻抗匹配的两个不同方式，其一起如下被使用：1.测量源和环境的温度（或两个源的温度），计算针对每个时刻的内部电阻，并且将它前馈到DC-DC转换器，以使其输入阻抗变化来与TEG的输出阻抗匹配。
[0071] 2.由TEG中的内部换向而使用所计算的结果来改变TEG的内部电阻和电压。
[0072] 阻抗匹配的第二方式可以使用模块化的TEG设计，其包括换向开关和对应的控制。这样的阻抗匹配可以被设计成芯片上实现方式，但是在分离部件的情况中可更具挑战性。
[0073] 具有流动的水的水管道是用来为温度梯度提供气氛的容易可得到的源，使得TEG或由TEG制成的装置可以被连接在流体管道和环境空气之间，以便为设备发电。
[0074] 现在更详细地考虑本实施例。通常，不同的介质（诸如液体和气体）由于热力学性质（诸如热容和热交换性质）中的差异而在处于不同时间的相同条件下改变其温度，并且因而温度梯度在这样的媒介的边界上变化，并且热从具有较高温度的介质流到具有较低温度的另一介质。流的方向经常在白天循环期间变化，但是热流总是存在。
[0075] 良好的示例是具有流动液体的管道，所述管道被空气围绕。管道内部的液体的温度通常不同于空气。因而，由于温度差，在一个介质与通过管道壁的另一个介质之间发生热流。通过使用本实施例，可以使用用于直接能量转换的设备来部分地收获热。热电发电机（TEG）是准许将热能直接转换成电能的设备。
[0076] 现在参考图10a-b，其图示了热电发电机模块100，所述热电发电机模块100包括被成对的半导体球团104分离的陶瓷板102和104。更具体地，可以利用P型和N型的不相似热电材料的球团来分离所述板。铜导体将球团串联地连接，从而将p-n结保持在一侧处并且将n-p结保持在另一侧处。
[0077] 图10a是剖面图，其示出了内部细节，并且图10b是这样的部件的实际视图。模块跨温度梯度而被放置以使得板中之一形成暖侧并且另一个形成冷侧。
[0078] 现在参考图11，其图示了根据本发明的实施例的被连接在水管道和环境空气之间的温度梯度上的热电发电机模块。铝块110在截面中被示出，并且包括嵌入的管道112、114和116，其每个承载水。
[0079] 量 指示经由TEG模块118和散热器120（ ）而从水流到环境空气的热。的TEG模块118在热温度 和冷温度 之间分离，并且包括127个单独的热电
偶。
[0080] 现在参考图12，其图示了针对图11的实施例的模拟方案。如将在以下更详细地被解释的，使用电-热类比方法。中央块130是127偶联TEG模块 TEG 118的电热模型。对通过水来冷却的铝块110建模的冷板132被表示为温度源 。环境空气 由电压源
134表示。TEG被示出为块130。在以下图24中讨论该块的等效三端口电路模型。
[0081] 图13a是简化图表，其图示了来自图12中所描绘的模型的R（L 负载电阻）扫掠的结果。针对空气和热源之间的5℃温度差、在负载范围上示出功率/电压曲线。针对dT的不同值存在四个V-I和P-I曲线，并且结果与表I对应。图13B示出了针对不同温度、对照电流的电压和功率的模拟。
[0082] 表I 实验测量由图11的系统所生成的功率的初步结果在下面的讨论中，呈现了包括TEG、热源和散热器的发电系统的完整和简化分析两者。
[0083] 为了易于理解，所述系统被表示为有源两端子系统，其包括电压源和非线性温度相关的电阻器。系统中热移除的作用及其对输出参数值的影响被示出。
[0084] 热电发电机（TEG）数十年来已经占据了能量市场中稳定的利基。TEG不是发电机中最高效的，但是它在其中不能使用其它源的条件中可使用。例如，它在用于空间应用的发电机中使用，或被用作海洋深度处的自主电源。用于必要温度梯度的热能的源的范围非常宽，并且包括放射性同位元素、燃料燃烧系统、锅炉、太阳能等等。
[0085] 将TEG用于收获废热在近年来已经显著增加，例如以从排气系统收获热。使用废热来用于为电话、膝上型电脑等等充电的许多小器具已经出现在市场上，并且通过所收获的热来被供电的照明设备已经被重新引入（在1960年代的短暂流行之后）。
[0086] 但是使得TEG达到第二波流行的新因素是出现了新的微功率电子系统，其需要可靠的低功率供给并且可以被放置在任何地方，包括难以到达的地方，甚至在人体内。最新的技术开放了新的机会来直接在芯片上实现发电机，从而开辟了如下可能性：创建新种类的设备，诸如无电池、可植入的传感器，或芯片，其完全不需要电源，而是更确切地说具有集成的TEG，并且可以因而依赖于小温度梯度。
[0087] 在1960年代早期的文献中已经详细地讨论了热电发电系统。然而，在那时，强调的是在于强大的发电机和强热通量上。作者争辩到：装备的热阻应当小于发电机的恰当热阻。
[0088] 否则，其使用不切实际，并且现代基于TEG的收获器需要准确的优化来尽可能少地浪费能量。这样的小尺寸的发电机以低温度梯度运作，具有热交换器的大热阻，并且需要特殊的高科技热和热电材料，复杂的高度高效的递升转换器（step-up converter），以及优化负载的系统。
[0089] 在下文中，提供了对热电系统的分析。分析中的关键角色被指派给如环境温度条件和热路径这样的因素对发电机的电动势及其等效电阻的影响。
[0090] 本实施例可以提供允许以下各项的方法：·预测从已知温度梯度可得到的功率；
·在无论什么可能的情况下避免使用最大功率点追踪（MPPT）系统，以保存所收获的能量；
·减少MPPT算法的稳定时间，如果所述算法被使用的话；
·优化热路径以便得到最大可能能量；以及
·针对特定的温度梯度和给定的热移除而选择正确的TEG。
[0091] 理论背景如以上讨论的，存在在热电发电机中发生的五个主要过程。所述过程是：塞贝克发电、珀尔帖冷却/加热、傅里叶热传递、由于电阻部件上的热耗散所致的焦耳加热，以及汤普森的电热过程。最后的过程通常可忽略，因为其影响小于所有其它的10%。下文中仅仅应对稳定状态分析。
[0092] 现在参考图14，其是简化示意图，图示了常规热电系统140，其包括热源142、TEG 144和散热器146。在系统旁边的是在稳定状态条件下在热源的温度Ts与环境温度Tamb之间的热流的等效电路形象化148。
[0093] 所述系统被建模为串联的三个电阻器150、152和154，其被夹在电压源156和158之间。源对应地类似于热源温度Ts和环境空气温度Tamb。下面的等效电路模型确实包括电容器Cs和Ck，其表示源和散热器的热质量，并且示出了：所有过程具有瞬态且显著的稳定时间，其有时可以是大约半小时。形象化通过使用等效电路而示出了在两个已知的环境空气温度Tamb与热源温度Ts之间的热流以及因而在其中间的温度分布。
[0094] 等效电路建模的方法在工程中非常普及。温度 被示出为电势，其相对于公共点；热流 被示出为电流。节点表示表面，并且电阻 表示热源/散热器/TEG的热阻。
[0095] 系统使用固态技术、基于所谓的塞贝克效应（热电效应）来将热能直接转换成电。热电功率转换器没有移动的部分，并且是紧致、安静、高度可靠且环境友好的。
[0096] 描述热电发电机的有用表达式是其在端子之间的电压降的表达式：其中 是热电模块的塞贝克系数。 是借助于铜连接器被串联连接的TEG的p和n球
团的电阻，通常已知为TEG的内部或欧姆电阻，并且电流I是稳定状态电流。
[0097] 不幸地，热差（ ）通常未知。因而，Th和Tc可以被表述（参见图14）为：现在参考图15，其将TEG图示为同质固态主体160，其仅仅在一个维度上、从热表面162到冷表面164具有热导率。由于傅里叶热传递而流过主体的热的量（qk）与温度梯度成比例。
主体承受内部热源（qj），这是由于在发电机的内部电阻上的功率损耗（焦耳加热）所致。最后，对应地在冷和热表面处生成和释放珀尔帖热电热（qpc和qph）。
[0098] 也就是说，图15示意性地描绘了在TEG中发生的热过程。我们假定热仅仅在一个维度上流过热电模块。这是由于TEG的特殊结构所致，所述TEG包括彼此热隔离的多个球团。热沿着球团从TEG的热表面传播朝向其冷表面，并且它几乎不能沿着温度梯度的主要方向横向散播。此假设允许我们在针对TEG的等效参数的情况下运作。
[0099] 如可以从图15中导出的，两个等式可以如下来描述在TEG的热和冷表面上的能量平衡：现在参考图16，其示出了针对热域和电域两者、与表达式（4）-（5）对应的TEG的等效电路。
[0100] 图16通过等效电路而示出了表达式（4）-（5）的示意性表示。环境温度和热源温度被表示为电压源 和 。 和 是端子1和2相对于公共接地点的电势。源和散热器的热质量被示意性地示出为电容器 。
[0101] 等效电路帮助我们产生等效电路模型的不同拓扑：a.图24中所示的三端口等效电路模型。模型的三个端口是两个热端口，相对于绝对零温度的Th，相对于绝对零点温度的Tc，以及电端口。
[0102] 此电路最适合于热和电过程的同时模拟，b.针对平面TEG的区段等效电路模型，其中p和n分支在相似的热条件中运作，参见图23，以及c.两端口等效电路，其在图17中被描绘。
[0103] 在最典型的情况中，源侧处的导热阻 比环境空气侧的对流热阻 小得多。因此在本文中，热阻 相对于散热器的热阻是可忽略的。因而，在 上的温度降可忽略，并且温度 可以被假定成等于 ，以用于表述的简单。可以根据（4）-（5）来将输出电压求解为：其中
等式（6）以非线性方式描述了TEG的端子上的输出电压。同时，工作在该领域中的研究者和工程师重复地指出了TEG辐射体系统的I-V特性事实上非常接近于线性。这点也通过下文中描述的实验被证实。因此，使用Macluarin（麦克劳林）级数来提取线性项并且将它们与（6）中非线性的那些分离是适当的。
[0104] （6）中的麦克劳林级数的前n项如下：其中Z是发电机的热电材料的品质因数，
发电机（7）的输出电压可以用开路电压 和内部电阻 的戴维南形式重写：
其中：
并且
现在参考图17，其图示了在装备情况下的TEG的两端子戴维南类型等效电路。注意到
 是电流以及温度相关的非线性元素。
[0105] 等式（9）实际上是图17中所示的戴维南等效电路的表达式。等式（7）和（11）中具有高于1的指数的项仅仅在无量纲组： 的值足够高的时候取不可忽略的值。对于现代热电材料，这针对大约为100K的 而发生。由于我们考虑针对低温度梯度的热发电机，所以在我们的情况中，针对n＞1的 分量可忽略，并且仅有级数的n=1项可以是良好的近似。
[0106] 现在参考图18a和18b，其示出了针对 所生产的特定的V-I（a）和P-I（b）曲线的示例。热发电系统的I-V（a）和P-V（b）曲线示
出了具有 1.1 K/W， 和 的散热器。实线180对应于全模型的模
拟，并且虚线182对应于具有 的所提出的模型，并且点虚线184对应于具有 的所
提出的模型。在本示例中， 是90K。
[0107] 可以看到短路电流误差小于3%。在最大功率点处，误差可以甚至更小。
[0108] 从以上推断：对于低温度梯度，线性温度相关的电阻器可以是良好的近似。此电阻可以根据（11）来获得，在 的情况中，其中仅仅采用麦克劳林级数的第一项：输出功率的最大化
等式（10）和（12）使得能够为已知温度下的特定热电系统预测最大可用功率和最优负载。在匹配的负载的情况下，达到最大可能的功率，并且在具有 的模型的情况中，显而易见的是，h越小，功率值越高。
[0109] 总可用热通量（其当被直接连接到热源、绕过发电机的时候可以为辐射体提供已知所应用的温度差）可以被如下计算：因而，最佳散热器是具有最小热阻并且提供最高热流值的一个。然而，最佳散热器是大的并且昂贵。有时，散热器的性质是设计热电系统中的主要限制因素。
[0110] 然而，热电冷却器/发电机的每个制造商供应宽范围的产品。除了其它事物之外，设计者的问题是选择提供最大功率输出的TEG。
[0111] 如何选择最优TEG因为负载上的最大功率对应于等于来自（11）的 的负载电阻，所以可以将功率
（13）表述为 和 的函数。
[0112] 设置导数其使 和 被代替，最优 和h的值可以被计算为：
满足以上条件的TEG将为给定散热器产生最多功率。
[0113] 在此情况中，将TEG和散热器匹配为来自（14）的 ，并且可以从给定温度梯度和给定散热器收获的最大可用功率可以作为总热通量的一部分被计算：示例：
最佳可用散热器具有1.15 K/W的热系数。所估计的温度差 是25K，环境温度是大约
300K。
[0114] TEG的尺度是40mm x 40mm。示例的目标是要从制造商的库存中选择在给定条件下提供最大可能功率的那个TEG。此处是为了以下目的而选择最佳TEG的示例：为了低温度梯度，珀尔帖热电冷却器可以被用作TEG。对于此特定示例，我们将从Kryotherm所制造的冷却器的库存中选择TEG。制造商提供产品的 、 和 参数。
[0115] 为了从制造商的数据中提取 的参数，可以使用以上表达式。因而，对于具有所期望的尺度的多个冷却器，我们可以构建表II：
表II：由制造商所提供的数据以及针对40mm x 40mm模块所提取的参数
可以示出的是：参数 取决于热电材料的品质因数Z。通过查看表II中冷却器的整
个分类，我们可以验证：在它们中的所有中， 的值近似相同，并且冷却器的Z还或多或少相同（大约0.0027K-1）。这意味着我们必须选择的仅有的参数是模块的热阻。
[0116] 在表II中，最佳发电机将具有最高Z值，以及尽可能接近 的热阻。
[0117] 可以从 和 中找到 。在此示例中， 是325K。
[0118] 因而，我们必须选择的TEG是具有 的一个，并且最佳候选是。
[0119] 图19a-b图示了分别在绘图（a）和（b）中示出的 （实线）、（虚线）和 （虚点线）的理论特性V-I和P-I曲线。图19a-b
示出了所选模块的V-I和P-I特性，连同两个其它模块（ 和
）的特性，所述两个其它模块的热阻分别以较大一方和以较小一方而不同
于最优的一个。从图中清楚的是：从所选TEG中可得到的最大功率高于其它TEG的最大功率。
除了上面表明的事物之外，此结果可以在下文中以实验方式来验证。
[0120] 实验结果：为了验证所提出的方法，通过使用图21和22的设置来实施实验室测试。为稳定状态操作来构造发电机的某些类型的I-V特性。
[0121] 图21图示了分解视图，并且图22图示了控制和测量方案。
[0122] 实验设置允许通过控制风扇的旋转速度来设置和控制热源的温度以及散热器的热交换系数。可控的负载准许针对任何负载来测量TEG的电流和电压，并且允许针对散热器热交换系数的不同值以及在热源和环境空气之间的不同温度梯度来构建发电机的V-I曲线。结果中的一些在表III中被制成表格。
[0123] 以实验方式测量的曲线的示例。（a）针对给定 和 以及散热器的热阻的变量值的TB-127-1,4-2,5的I-V曲线。（b）针对不同TEG的已知 、 和  的I-V曲线，以及（c）针对不同TEG的已知 、 和  的P-I曲线。
[0124] 表III：所测量的和所预测的结果的比较实验测试几乎支持理论分析。等效电阻（ ）中的误差是热电参数的温度相关性的结果。模块的平均温度随负载电流递增而增大。因而，内部电阻 连同其它热电参数一起增大。作为结果，所测量的等效电阻高于所预测的那个。
[0125] 本方法允许分析用于收获热能的、包括热电发电机和热移除的系统，其通过将所述系统建模为戴维南类型的两极，其包括电压源和内部电阻。电压源和内部电阻两者的数值可以通过以上导出的表达式来被计算。计算这些值需要关于热电发电机以及关于散热器的数据。
[0126] 本方法使得能够根据已知的温度梯度来预测可用功率，以优化热路径，以便得到最大可能的能量，以为特定的温度梯度和给定的热移除选择正确的TEG。
[0127] 另外，所述方法可以用于在不直接测量电流和电压的情况下的最大功率点追踪。追踪最大功率点的大多数常见方法基于通过使用分数开路电压算法来测量开路电压，或通过使用分数短路电流算法来测量短路电流。这些方法中没有一个适用于热电发电机，这是由于在转变过程中所涉及的大的热质量所致。
[0128] 这些热质量在图14中被描绘为等效电路中的电容器。改变大规模主体的温度花费相当长的时间。稳定时间通常大于一分钟，并且有时达到一小时。显而易见的是，针对这样长的时间停止收获过程不可避免地导致能量损失。然而，如果没有达到完全稳定状态，则无负载电压或短路电流的测量不准确。
[0129] 本方法允许在不求助于直接测量的情况下确定发电机的内部电阻。对热源温度和环境空气温度的连续测量给出对于计算以及校正负载所需的所有数据，使得它总是与发电机的内部电阻匹配。
[0130] 此值可以通过使用等式（12）来被计算。本方法因而有助于在无论什么可能的情况下避免使用MPPT系统，以节省所收获的能量。在其中MMPT仍必要的情况中，所述方法在缩减MPPT算法的稳定时间中可以是有帮助的。
[0131] 现在参考图23，其是简化图解，图示了单偶联平面TEG的等效电路。蓝色粗线320指示模型的热部分。连续的非粗红线322指示模型的电部分。
[0132] 图23描绘了单偶联平面TEG模型，其由可以用于模拟VLSI和MEMS芯片上热电模块的等效电路的原始拓扑来表示。所述模型可以基于已知的技术和几何结构。在此电路中，所有粗体元件对应于热元件。这通过使用对热网络的电类比来被实现。电阻表示TEG元件的热阻（K），电压表示温度（T），并且电流表示系统中的热流（q）。
[0133] 电路的热部分中的电流源意指在TEG的给定点处接受或释放能量。在模型的此部分中的电容器等效于元件（C）的热质量（热容）。模型的非粗体部件表示热电系统的电部件。
[0134] 图23中的普通电阻器由R来用符号表示。sub1、sub0、p、n、vm和hx下标分别地关联图23中所描绘的相关参数（R、C或K）与sub1、sub0、p分支、n分支、接触，以给出针对热路径中的过孔和金属层的等效表示，以及将其与热交换器关联。 可以在理想情况中被假定成是零，当已知热和冷表面的温度两者的时候。在更现实的情况中，已知热表面的温度，但是冷表面的温度将通过使用环境空气温度和热交换器系数 来被计算。
[0135] 根据塞贝克效应，当导线（导体或半导体）的两端被保持在温度差 处的时候，可以观察电动势 。
[0136] 比例系数 是塞贝克系数。p型材料的塞贝克系数的符号是正的，并且n型材料的塞贝克系数的符号是负的，其表示冷侧相对于热侧的电势。单个TEG的总塞贝克系数是 ，其中 和  是p型和n型热电分支材料的塞贝克系数。图23中所示出
的等效电路的电部分将塞贝克效应表示为针对接合中的每一个的一对相反符号的电压源。
源中的每一个等于接合的温度乘以对应材料的塞贝克系数。注意到，连接材料的塞贝克系数被假定成是零。因而，对于 ，单个TEG的开路电压 的值（其还等于其电
动势 ）是：
其中 是在发电机的热和冷接合之间的温度梯度，并且被称为“有效温度
差”。在其中单个TEG被加载的情况中，电流 流过负载；因而单个TEG的I-V特性通过如（1）中所注解的 来被获得，而单个TEG的总电阻等于 。
[0137] 不幸地，如上文所讨论的， 和 （并且因此 ）的值是未知的，这是由于以下事实所致：即那些温度处于芯片的内部层中。因而，为了计算热和冷接合的温度的值（并且为了获得 ），芯片的整个热路径被建模，如在图23中那样，其考虑与塞贝克效应同时发生的附加过程。这些附加过程被反映在如图23中所描绘的等效电路的热部分中，并且下文添加到以上所解释的事物。
[0138] 傅里叶热传递：在元件中每一个的热和冷侧之间的导热传递。此过程通过每个元件的热阻的存在来被仿真。通过元件的热流与热阻上的温度差成比例（ ），类似于欧姆定律。
[0139] 焦耳加热：由于通过元件的电阻的电流I而生成体积加热，其在等效电路中被示出为热源，具有通过电流平方乘以电阻（ ）所给出的值。在TEG的分支的情况中，焦耳热被假定成均等地分布在热分支的左半部和右半部之间。
[0140] 珀尔帖效应 ：当电流通过导线的时候，由电流承载热能，使得导线的一端或接合的温度减小并且另一端增大。热流的量与通过接合的电流成比例 （π是珀尔帖系数）。使用汤姆森关系（ ）导致通过 来表示珀尔帖热流。在图23中，珀尔帖效应通过等效电流源 来被仿真，而 由塞贝克效应 来
确定。
[0141] 正热流意味着加热并且负热流意味着冷却。注意到，图23中的珀尔帖热源中每一个的恰当方向通过电流方向相对于对应电压源 的极性的符号来被考虑，所述极性还取决于其塞贝克系数符号。正电流符号被认为表示进入电压源的正端子中的电流（即电能被吸收并且热能被发射），并且在相反的情况中反转。接合中的每一个可以在数学上通过来被表达，而 是对应接合的温度（ 或 ）。
[0142] 汤姆森效应：汤姆森效应通过汤姆森系数来描述，所述汤姆森系数涉及针对温度相关的α的情况的珀尔帖和塞贝克现象。然而，此效应在文献中被报告成是小的，并且被忽略。所提出的模型准许当塞贝克系数是温度的函数的时候考虑汤姆森效应。
[0143] 瞬态过程：热电过程立即工作，但是将元件加热直到稳定状态条件是瞬态过程。到稳定状态的转变时间取决于热质量和热阻，其在图23中由对应元件的电容器和电阻器来表示。在本文中，每个分支的质量在相等热容的y个子质量之中被划分（以与y-RC网络等同的形式）。数目y越大，瞬态模拟的精度就越好。在检查了y的不同值之后，判定y=2是足够好的近似。
[0144] 单个TEG的所图示的模型不仅能够遵循温度改变，而且此外，它还在由于方向相关的珀尔帖热源所致的外部温度差的两个可能的极性期间是全功能性的。
[0145] 用于经复制的TEG统一结构的等效芯片上TEG模型实际的芯片上TEG可以包括数千以及甚至成千上万的单个TEG连接的元件。因此，为了对串联和/或并联统一的以及不可开关的、电连接的、经复制的单个TEG进行建模，优选的是避免大量单个TEG模型的链，这是由于模拟运行时间考虑所致。然而，单个TEG的经复制的结构可以由一个等效模型表示。考虑芯片上TEG包括多个单TEG元件的n串联以及m并联电统一的结构（所述多个单TEG元件并联地热连接），等效TEG模型可以由与图23中所提出的相同的拓扑来表示，其具有以下调整（通过使用基本电路原理来被实现）。p分支、n分支和接触的等效电阻的值将分别地变成 和 。
[0146] 电压源（V1,……,V4）中每一个的值将会乘以n。假定单个TEG的热和冷表面中每一个上的温度是均匀的（考虑其小尺度），p分支、n分支、接触、sub1和sub0的等效热阻可以分别地由 和 来表示。p分支、n分支、接触、sub1和sub0的等效热容分别地变成了
和 。然而，热交换器的热阻不具有关于串联和/或并联的单个
TEG的数目的直接相关性。它主要取决于情况类型、面积和许多其它因素。此扩展的模型类型在本文中被用于表征统一的经结构化的子单元的行为。
[0147] 从标准180nm CMOS过程中导出模型参数针对所提出的模型的参数可以从热电发电机中所使用的材料的性质导出。在图11中示出单个TEG的简化拓扑。对应材料的热和电性质在表IV中被制成表格。
[0148] 表IV-过程层性质和约束参数 和α分别地表示层的厚度、体积质量密度、热导率、特定热
容、电薄层电阻、过孔按其标准接触尺度的电阻（每个过孔具有其自己的标准相对尺度）以及对应材料的塞贝克系数。铝金属和钨过孔的 和 参数由其典型的材料值表征。所有层的t值、金属和过孔层的 和 是可得到的。
[0149] 表IV包含单个TEG布局的、具有选择自由以及所确定的值的参数。鉴于创建腔方面的4μm蚀刻窗口限制，热电偶的宽度被选择成4μm以确保恰当的蚀刻过程并且实现高的单个TEG密度。
[0150] 在近邻金属层的每个偶联之间的并联定位的导电过孔的数目#Vias被选择成是最大的（由设计规则所约束）以减小接触的电阻。L和W表示表II中对应层的长度和宽度。过孔的L和W根据其标准值来被选择。
[0151] 表IV——针对单个TEG实现的所选的值腔尺度被选择成是4μm的深度、134.25μm的长度和8μm的宽度（4μm过程约束的蚀刻窗口限制加上来自每侧的2μm）。sub0长度是2μm。所需要的模型参数值可以仅通过使用腔尺度、sub0长度和表III以及表IV数据来被计算。所计算的结果在表V中被展示。注意到，材料的t、L和W参数需要考虑材料定向以便在计算期间被恰当地使用。因而，例如metal1的电阻的截面面积是 ，并且其热阻是 。
[0152] 表V——单个TEG模块参数在表V中， 和 分别地表示热阻、热容、电阻和塞贝克系数。下标X指的是
具有此性质并且被使用在图23中的等效电路中的元件。注意到，热交换器的热阻的精确估计是困难的。用于模拟的所选值是在实验上被验证 。
[0153] 只要温度改变率显著低于控制系统的响应采样率，本模型就能够恰当地起作用，甚至是在超低频率下，从而允许通过使用较低频率来显著减小功率消耗。
[0154] 为了支持不同的负载需要，所呈现的ATA设计的合适架构修改还可以促进与电压供给同时的附加电能累积。通过如下来使得这是可能的：在 的非最小情况期间累积短接的子单元的电能（代替使它们短接）。所累积的附加能量可支持不同的需要。
[0155] 现在参考图24，其是示意图，示出了TEM的简化模型，其中TEM的热阻 和热容C、以及所附连的陶瓷板的热容Cp被表示为集总元件。所述模型示出了图12中的TEG块130的等效三端口电路模型。
[0156] 预期在专利从本申请到期的寿命期间，许多相关的TEG构造和变型将被开发，并且术语TEG的范围意图先验地包括所有这样的新技术。
[0157] 术语“包括”、“包含”、“涵括”、“涵盖”、“具有”及其同源词意指“包括但不限于”。
[0158] 术语“由……构成”意指“包括并且被限制到”。
[0159] 如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文清楚地另行指示。
[0160] 要领会到，为了清楚而在单独实施例的上下文中所描述的本发明的某些特征还可以在单个实施例中被组合地提供，并且以上描述将被解释为如同此组合被显式地写出。相反，为了简要而在单个实施例的上下文中被描述的本发明的各种特征还可以分开地被提供或者以任何合适的子组合被提供，或在本发明的任何其它所述实施例中酌情地被提供，并且以上描述将被解释为如同这些单独的实施例被显式地写出。在各种实施例的上下文中所描述的某些特征不要被认为是那些实施例的必要的特征，除非实施例在没有那些元素的情况下不运作。
[0161] 尽管本发明已经结合其特定实施例被描述，但是明显的是，许多可替换方案、修改和变型对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，意图的是涵盖落入所附权利要求的精神和宽范围内的所有这样的替换方案、修改和变型。
[0162] 在本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请在本文中通过引用以其全部被并入到说明书中，其程度与仿佛每个单独的出版物、专利或专利申请被特别地且单独地指示以通过引用被并入本文中相同。另外，本申请中任何参考文献的引用或标识不应当被解释为承认这样的参考文献作为对于本发明的现有技术而可得到。就章节标题被使用的程度来说，它们不应当被解释为必要地进行限制。
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热电转换发电机-专利编号CN107689709A 2020-05-13 282
热电发电机模块-专利编号CN103532437B 2020-05-13 705
热电发电机-专利编号CN109564441A 2020-05-11 127
热电发电机-专利编号CN102881816A 2020-05-12 159
热电发电机-专利编号CN1793634A 2020-05-11 149
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热电发电机-专利编号CN105164410A 2020-05-11 416
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