Wave-heat-electricity conversion: Design and analysis of an electromagnetic energy conversion device

电阻器 能量转换效率 材料科学 能量收集 能量转换 功率密度 光电子学 发电 电气工程 电压 最大功率原理 功率(物理) 物理 工程类 量子力学 热力学
作者
Han Xiong,Xiaodong Ma,Huaiqing Zhang
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:134 (9)
标识
DOI:10.1063/5.0164128
摘要

An innovative electromagnetic energy harvester was developed using a compact four-ring single-resistor unit cell. To achieve efficient conversion of electromagnetic waves into electricity, we integrated the high-performance Bi2Te3 thermoelectric material onto the load resistor. Remarkably, this unit cell exhibits exceptional energy harvesting capabilities at a frequency of 5.8 GHz while maintaining polarization insensitivity. Through comprehensive analysis, we evaluated the energy harvesting efficiencies, power loss distribution, and current density distribution. Additionally, we investigated the impact of incident power on the unit cell's temperature and energy conversion efficiencies. To enhance energy concentration on the load, we ingeniously designed an “L-shaped” metal through-hole structure within the four-ring single-resistor unit cell. Our results demonstrate that the four-ring single-resistor unit cell achieves an impressive harvesting efficiency of 94.5% at 5.8 GHz, with a thermal conversion efficiency of 43.3 °C/W, an electrical conversion efficiency of 0.23 mV/°C, and an electrical response rate of 9.4 mV/W. Notably, when subjected to a power input of 7 W, the unit cell produces an output voltage of 65.9 mV, and its theoretical maximum output power reaches 180 mW.
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