軍事和航空航天領域，在狹窄，惡劣的環(huán)境中，堅固的運行和可靠的性能是最重要的，長期以來一直是熱電能量收集的最主要市場。通常，熱電裝置利用來自發(fā)動機和電動機的熱量并使用它來為傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡供電以用于狀態(tài)監(jiān)測應用。最近的創(chuàng)新正在促進該領域以及相關(guān)領域的發(fā)展。本文將回顧一些使用熱電設備的主要航空電子和航空航天應用。例如，商用和軍用飛機結(jié)合了由熱電發(fā)電機提供動力的傳感器和傳感器網(wǎng)絡，以監(jiān)測飛機蒙皮的損壞，從而造成應力和結(jié)構(gòu)弱點。在航空航天領域，火星探測器，好奇號，伽利略衛(wèi)星，新視野太空探測器和卡西尼號航天器都是TEG用戶。

將考慮的典型設備包括來自CUI的CP系列TEG和來自的eTEC模塊萊爾德科技。將參考凌力爾特公司的LTC3108 DC/DC轉(zhuǎn)換器，進一步考慮TEG產(chǎn)生的能量管理。

熱差

支撐熱電發(fā)電機（TEG）的主要現(xiàn)象是電氣的產(chǎn)生通過在兩種材料之間流動熱量來利用溫差來獲得能量。這被稱為塞貝克效應。差分越大，產(chǎn)生的能量就越多。

使用反向現(xiàn)象被稱為Peltier效應的熱電冷卻器（TECs）通過施加電壓產(chǎn)生溫差（見圖1）。輸出電壓的極性取決于TEC兩端的溫差極性。反轉(zhuǎn)TEG的熱側(cè)和冷側(cè)，輸出電壓改變極性。凌力爾特公司的一本有用的應用筆記清楚地解釋了這些原理。1

事實上，TEG或TEC可用于加熱或冷卻應用，以及用于發(fā)電。用于任一應用的模塊之間沒有功能差異，而是它們的使用模式不同，有時它們的結(jié)構(gòu)與電路相關(guān)。

不斷增加的市場興趣

盡管認識到熱電材料的巨大潛力再利用廢熱，使用TEC和/或TEG收集能量迄今為止應用有限。然而，該技術(shù)一直是廣泛研究的對象，并且直到最近才開發(fā)出刺激了興趣的增加。

對TEG研究的刺激至少部分歸因于無線傳感器網(wǎng)絡的普及和需求用于自主操作。在諸如工業(yè)環(huán)境中的狀態(tài)監(jiān)測，智能計量，偏遠地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測，結(jié)構(gòu)監(jiān)測以及車輛，飛機和航天器的運輸部門等應用中尤其如此。

美國研究團隊，包括化學家，來自西北大學和密歇根州立大學的材料科學家和機械工程師開發(fā)出一種基于普通半導體碲化物的新型，更高效的熱電材料.2，環(huán)境穩(wěn)定，預計將15％至20％的廢熱轉(zhuǎn)化為電能。研究人員認為，ZT的品質(zhì)因數(shù)為2.2（與更典型的1相比），新材料的效率足以用于實際的軍事和工業(yè)應用，促使廣泛使用.TEGs可以可以自主地用于為無線傳感器網(wǎng)絡供電，并且在沒有恒定電源的情況下尤其需要，其中維護或更換電池的訪問是不切實際的，并且其他環(huán)境能源不一致。實際上，TEG非常適合在諸如太空等惡劣環(huán)境中使用。它們不使用液體，在高溫下茁壯成長，并且不依賴于陽光（如太陽能）或運動（壓電）。

TEG當然也可以與儲能裝置結(jié)合使用，例如超級電容器或可充電電池，以提供更多的調(diào)節(jié)電源。無線傳感器網(wǎng)絡中使用的超低功耗電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，導致越來越多的應用程序在低溫度差的情況下運行，只有幾度。

市場研究公司IDTechEx到2023年，熱電能量收集器市場將達到8.75億美元，這意味著未來十年將出現(xiàn)顯著增長。市場研究人員認為，熱電在投資和商業(yè)化方面領先于壓電。盡管消費者和工業(yè)部門越來越感興趣，但定制的軍事和航空應用仍占據(jù)市場主導地位。

TEG已被美國和其他太空計劃使用多年。事實上，它們已經(jīng)被證明是阿波羅登月任務，維京人對火星任務以及先鋒，旅行者，尤利西斯，伽利略和卡西尼對外太陽系的任務的安全，有效和持久的動力源。最近，他們被用來為火星車，好奇號提供能量。

使用TEG電源，因為太陽能替代品不能滿足任務要求的全部范圍。無論登陸地點如何，控制器都需要在其大氣進入，下降和著陸期間與流動站進行全時通信。與太陽能替代NASA研究的相比，為這項任務開發(fā)的TEG使得火星車能夠更進一步，行駛更多樣的地形，持續(xù)更長時間，動力和熱量更大，更有能力的科學有效載荷。

在美國開發(fā)對于多個太空任務，放射性同位素熱電發(fā)電機（RTG）或“太空電池”操作流動站的儀器，機械臂，車輪，計算機和無線電。它以钚-238為燃料，在自然衰變時釋放出熱量。顯然，很少有其他應用可能將其用作熱源，但使用TEG進行能量收集的原則是可轉(zhuǎn)移的。不需要移動部件將這些熱量轉(zhuǎn)換成電能。該系統(tǒng)使用熱電偶從核材料和冷火星外部之間的溫差產(chǎn)生電壓。

RTG提供連續(xù)的熱源，通過整個系統(tǒng)中的傳熱流體循環(huán)通過流動站。它確保儀器可以保持在其工作溫度范圍內(nèi)。大約110瓦的電力不斷產(chǎn)生，為流動站的儀器供電，預計將持續(xù)多年。

預測性維護

飛機維修是一項復雜而昂貴的業(yè)務，已開始利用能量收集和TEG特別是對于廣泛的監(jiān)控應用。監(jiān)測飛機的外部皮膚對于早期檢測由于磨損或鳥類碰撞造成的損壞是很重要的。自動供電的傳感器可以安裝在難以接近的位置，無需維護。 TEG可以串聯(lián)使用，不僅可以為傳感器供電，還可以為將傳感器讀數(shù)傳輸?shù)?a target="_blank">中心位置所需的電子設備供電。

洛克希德馬丁公司已經(jīng)在多個飛機平臺上實施了十年或更長時間的能量收集系統(tǒng)。其最近的一個項目是在其F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機上部署的預測性維護系統(tǒng)，并作為其自動后勤信息系統(tǒng)（ALIS）的一部分實施。 ALIS支持F-35機隊的日常運營，包括任務規(guī)劃和飛行計劃，維修和定期維護，以及零件的跟蹤和訂購。

預測性維護系統(tǒng)旨在幫助飛機技術(shù)人員預測即將發(fā)生的發(fā)動機問題，并僅在需要的時間和地點安排維護，同時有助于檢測不可預見的故障或意外損壞。在操作中，每個F-35將通過運行狀況和使用情況監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）組件持續(xù)監(jiān)控自己的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)發(fā)給ALIS。安裝在飛機上和飛機內(nèi)的這些自我報告監(jiān)控系統(tǒng)中的一些將包括無線傳感器網(wǎng)絡，其中一些將使用能量收集技術(shù)供電，包括熱電發(fā)電機。

飛機為有效安裝提供了無數(shù)的溫差機會的TEG。這可能是客艙外部和內(nèi)部的空氣溫度，或渦輪發(fā)動機軸承與環(huán)境空氣之間的溫差。

一家主要的TEG供應商，Nextreme，與飛機原始設備制造商合作，精確完善其Thermobility TEG系統(tǒng)。用于飛機監(jiān)控和預測性維護類型的應用。通過其合作伙伴，Nextreme開發(fā)了一種渦輪機健康管理系統(tǒng)，使噴氣發(fā)動機維護專家能夠檢測，診斷并采取行動解決發(fā)動機軸承組件中的問題。

它在TEG設備中使用碲化鉍集成電路材料生成正常運行的渦輪發(fā)動機軸承的熱量約為20至30 mW。這足以為嵌入式傳感器網(wǎng)絡供電。

選擇TEG

TEG有各種尺寸和電氣規(guī)格。最常見的模塊是方形的，尺寸范圍從每側(cè)約10毫米到50毫米。它們通常厚2至5毫米。如需選擇，凌力爾特公司的應用筆記1建議設計人員查看輸出電壓或輸出功率與差分溫度的數(shù)據(jù)，但聲明并非始終提供。然而，通常陳述的兩個參數(shù)是VMAX和IMAX，它們分別是最大工作電壓和最大工作電流。注意，選擇用于發(fā)電目的的熱電模塊時，一個好的經(jīng)驗法則是選擇具有給定尺寸的最高乘積（VMAX?IMAX）的模塊。這通常提供最高的TEG輸出電壓和最低的源電阻。對此規(guī)則的一個警告是，散熱器的尺寸必須根據(jù)TEG的大小來確定。較大的TEG需要更大的散熱片才能獲得最佳性能。

總部位于英國的Laird Technologies公司是熱管理，EMI屏蔽和無線天線解決方案的長期專家，已開發(fā)出各種用于加熱，冷卻的TEG和TEC設備。和能量收集應用。最近被Nextreme收購的Laird設備已經(jīng)集成到軍事和航空航天工業(yè)的系統(tǒng)級解決方案中，并且已經(jīng)提供給OEM。

Laird的eTEG系列熱電發(fā)電機是具有更高輸出功率的微尺度設備功率密度。它們適用于無線傳感器和電池充電應用。固態(tài)可靠性和無需維護要求使其適用于更換儲能設備或在不存在電力線接入的偏遠地區(qū)提供電力。

同時，Laird的HV37 eTEC的IMAX為0.9 A，VMAX為7.7 V，而HV56 eTEC的IMAX為0.9 A，VMAX為10.8 V.對于需要更高電流能力的應用，CP系列可能更適合。 CP08-71035-506采用環(huán)氧樹脂密封，IMAX為2.1 A，VMAX為3.7 V.顯著更大的CP14-66101-500是硅膠密封器件，IMAX為8.5 A，VMAX為14.5 V. 》總部位于美國的組件公司CUI提供一系列Peltier熱電模塊，幫助OEM滿足當今先進電子產(chǎn)品所帶來的日益嚴峻的熱挑戰(zhàn)。一種流行的器件是CP20351，采用硅膠密封封裝，提供2.0 A的IMAX和15.4 V的VMAX。對于更高電流的應用，CP85338提供8.5 A的IMAX和8.6 V的VMAX。

利用TEG

凌力爾特公司指出，使用TEG時，產(chǎn)生的電能通常是不受管制的，并不總是放貸本身可直接用于為電子電路供電。在某些應用中，可能沒有連續(xù)的，不間斷的電源。同樣，根據(jù)具體應用，平均輸出功率可能不會很高，可能低至10μW至10 mW。實質(zhì)上，如果信號源可用于為無線傳感器或其他電子設備供電，這些特性需要明智的電源管理。

進入LTC3108和LTC3108-1，這是一系列高度集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器，非常適合收割和從極低輸入電壓源（如TEG）管理剩余能量（見圖3）。升壓拓撲結(jié)構(gòu)可在低至20 mV的輸入電壓下工作。除了獨特的固定VOUT選項外，LTC3108在功能上與LTC3108-1相當。

圖3：凌力爾特公司的LTC3108 DC/DC轉(zhuǎn)換器非常適合管理產(chǎn)生的熱電能量作者：TEGs。

LTC3108采用小型升壓變壓器，為無線傳感和數(shù)據(jù)采集提供完整的電源管理解決方案。 2.2 V LDO為外部微處理器供電，而主輸出則被編程為四個固定電壓中的一個，為無線發(fā)射器或傳感器供電。電源良好指示燈表示主輸出電壓在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。主機還可以啟用第二個輸出。

存儲電容在輸入電壓源不可用時提供電源。極低的靜態(tài)電流和高效率設計確保了輸出儲能電容器的最快充電時間。該特定部件的額定溫度范圍為-40至125°C，是航空電子和航空航天應用的理想選擇從應用的角度來看，值得注意的是，前面提到的Nextreme的Thermobility解決方案不僅包含Laird eTEG HV56熱電發(fā)電機模塊，還包含LTC3108超低電壓升壓轉(zhuǎn)換器和電源管理器芯片，可提供高達1 mW的功率電力（見圖4）。它的工作溫度相對于環(huán)境溫度低至15至20 K.

圖4：Nextreme的Thermobility解決方案結(jié)合了eTEG HV56和LTC3108，可自動為飛機監(jiān)控應用提供動力以滿足預測需求維護系統(tǒng)。總結(jié)利用熱電模塊利用廢熱來產(chǎn)生能量對于一系列應用變得越來越有吸引力，尤其是在軍事和航空航天領域。這些堅固耐用的設備使傳感器及其相關(guān)通信電路能夠長期可靠地供電，而無需使用電池。觀察火星探測器，好奇號繼續(xù)從其傳感器發(fā)回數(shù)據(jù)有多長時間，這將是一件非常有趣的事情。