Термоелектричният генератор (TEG)

Ефектът на Зеебек (тема 4) работи и наобратно като източник: две различни спойки на различна температура дават напрежение. Една двойка дава съвсем малко: α ≈ 200 μV/K за полупроводниковите материали. Затова N двойки се свързват електрически последователно и термично паралелно (V_G = N·α·ΔT). Качеството на материала се мери с zT = α²T/(ρκ): трябва голямо α, малко съпротивление ρ и малка топлопроводимост κ, иначе топлината просто минава. Без движещи се части, тих, но с КПД около 10 % най-много.

Гривна с ↔ дръпни100 двойки (вътрешно съпротивление 10 Ω) и разлика между кожата и въздуха ↔ дръпни5 K дава 100 mV. В товар ↔ дръпни1 = 10 Ω отиват 250 μW от максималните 250 μW.

TEG на китката

Мощността в товара

мощност в товара сега

двойки

100

ΔT

5 K

lg(R_L, Ω)

1

Фигура 1.

Мощността е най-голяма при R_L = R_in (съгласуване). Тогава напрежението на товара е половината от V_G. С 100 двойки и 5 K гривната дава само 0,1 V. Затова PMU-то трябва да тръгва от десетки mV (тема 20). Мощността расте с квадрата на ΔT, затова TEG на тялото дава μW, а на индустриален комин – mW от cm³.

Пироелектричните

Пироелектричният кристал прави ток не от разлика, а от промяна на температурата: I_p = p·A·dT/dt. При постоянна температура мълчи, като пиезото при постоянна сила (тема 2). Стабилни са до 1200 °C. КПД-то е 3–7 % при ΔT от 10–20 °C и до 20–40 % при 100–300 °C. Вариант е биморфна пластинка, която се клати между горещо и студено.

Магнитни, вятър, вода, звук

• Магнитни – бобина с феромагнитна сърцевина около проводник с променлив ток събира от полето му: V_oc = N·2πf·B·μ_eff·A. Максималната мощност е при съгласуване, V_out = V_oc/2. Така сензорът за ток в разпределителното табло се захранва от самия ток.
• Вятър и вода – микротурбина с магнити (ротор) и намотки (статор). Водата е механично по-сложна.
• Акустични – резонатор на Хелмхолц: звукът влиза през гърло в кухина и мембрана с магнит трепти над бобина. В тиха кухня (60 dB) това са около 1,5 μW, до клаксон на камион (128 dB) – около 99 μW.

RF: енергия от радиовълните

Антена плюс токоизправител с диод на Шотки събира енергия от радиовълни, от 3 kHz до 300 GHz. Мощността пада с квадрата на разстоянието (формулата на Фриис). Освен това токоизправителят изобщо не тръгва под около 10 μW (−20 dBm), защото диодът има праг.

Колко далеч стига радиото

Приетата мощност (Фриис)

RFID четец 868 MHz, 2 W Wi-Fi рутер 2,4 GHz, 0,1 W праг на токоизправителя (10 μW)

Фигура 2.

Всеки 10 dB по вертикала са 10 пъти по мощност. RFID четецът (2 W, 868 MHz) захранва етикета до около 19,7 m в идеални условия. На практика отражения, тела и ориентацията на антената свалят това до няколко метра. Рутерът (0,1 W, 2,4 GHz) захранва нещо само до около 1,59 m. Причините са по-малката мощност и по-късата дължина на вълната (λ² във Фриис). Wi-Fi „от въздуха“ е за специално поставен предавател на сантиметри, не за рутера в съседната стая.

Самопроверка

1. TEG гривна: ΔT = 5 K, α = 200 μV/K, N = 100. Какво напрежение дава?

V_G = 100·200·10⁻⁶·5 = 0,1 V.

2. При какъв товар TEG дава най-много мощност?

При R_L = R_in (съгласуване) – тогава P = V_G²/(4R_in).

3. Защо пироелектричният генератор иска променлива температура?

Токът е I_p = p·A·dT/dt – при постоянна температура е нула.

4. С колко пада приетата RF мощност при двойно разстояние?

4 пъти (−6 dB) – P ∝ 1/r² по Фриис.