低溫熱能轉化為電能自供電裝置的研究

李 朋/竇甜華（山東同圓設計集團有限公司， 山東 濟南 250101）

0 引言

隨著能源與環境危機的日益突出，以及半導體技術的迅速發展和各種優質半導體材料的不斷問世，溫差發電技術以其無噪音、無磨損、無污染排放、體積小及重量輕等優點越來越受到人們的關注。半導體溫差發電應用于中高溫差發電的研究較多，而在低溫差情況下，由于發電機發電效率較低，這方面的研究和應用還處于起步階段。美國、英國和日本等國都制定了通過溫差發電進行廢熱回收利用的計劃，現還處于模型試驗研究階段[1]。

用戶熱量表是集中供暖系統實現熱量分戶計量的重要儀表。給熱量表供電一般采用網絡總線供電和電池供電兩種方式。采用總線供電會遇到管線布置走向、穿管以及提前剔槽預埋等一系列復雜問題，這樣就間接造成了工期拖長、費用加大、擴展系統及網絡兼容等。目前采用的有線遠程熱量計量系統中，由于管線敷設距離較長造成的管線短路、斷裂等問題越來越明顯，加上本身的線路復雜，很大程度上加大了線路維護的難度。系統斷電后，不得不采用第二電源電池供電，第二電源超過負擔的時間，就會造成系統計數與機械表頭讀數的誤差。電池供電存在使用年限短、供電電流小等問題，難以滿足5～6年的使用期限的要求，隨著使用年限的增加，利用率會更低，當電池電壓降無法滿足熱量表的需求時，電池電量就會使系統處于無法開啟和關閉鎖閉閥的狀態，導致鎖閉閥失去控制。第二電源無法保證熱量表網絡大批量動態數據實時傳輸所需要的電量，長時間在此狀態下工作，熱量表會在其使用年限之前損壞。

1 自供電裝置結構圖

針對上述問題，本文設計了一種自供電裝置，以供暖系統中的暖氣片或者暖氣管道為熱源，利用溫差發電原理，將低溫熱能轉化為電能，使用充電泵和DC/DC變換器升壓穩壓，用于給熱量表供電，也可給充電電池充電。如圖1所示，自供電裝置主要包括兩部分：溫差發電模塊和穩壓模塊。下文將詳細介紹各部分的工作原理。

2 溫差發電模塊原理

溫差發電模塊的構造主要包括兩部分：溫差發電器件和散熱器。

溫差發電借助了塞貝克效應，利用能量守恒原理，把熱能轉換為電能。這是一種比較新穎的發電方式，利用了塞貝克電壓與熱冷兩端溫度差成正比[2]的工作原理。隨著半導體技術的發展和研究，半導體溫差發電技術引起了世界范圍內的極大關注，制造出了熱能與電能相互轉換的溫差發電器件。溫差半導體發電存在一系列的優勢，比如沒有噪音污染、使用性能穩定及使用壽命長等，即使在惡劣的環境下，如-40℃的低溫情況下，也能正常工作。由于這些優勢的存在，使其使用情況越來越得到相應的重視。其工作原理是將溫差設置在不同性質的兩塊半導體兩端，這樣兩者之間就產生了直流電壓，溫差發電器件通常是由P、N兩種不同類型的半導體溫差發電材料，經電導率較高的導流片串聯，并將導流片固定于導熱系數較小的陶瓷片上構成[3]。Bi2Te3、PbTe、SiGe 等固溶體合金，都是重要的溫差電材料。本研究使用的溫差電材料是Bi2Te3，溫差發電器件結構圖如圖2所示。

溫差發電器長度和寬度都為40mm，厚度僅為4mm，并包含127對PN結，具有適應惡劣環境的特性（如高溫等）。特殊的工作特性保證其即使在180℃的溫度下也可正常工作，甚至在220℃的高溫下也可短暫工作。為使溫差發電器件的熱面與熱源緊密接觸，將導熱片置于溫差發電模塊的熱面與熱源之間，并將導熱硅脂涂抹在導熱片表面。由于溫差發電器件本身厚度非常小，因此兩端（熱面、冷面）達到熱平衡的時間很短，這樣對溫差發電器件冷面的散熱就成了其發電的關鍵要素，圖3是研究中使用的散熱裝置。散熱片底座尺寸為85mm×44mm×12mm，可放置兩塊溫差發電器件。

本研究使用兩塊溫差發電器件串聯，實驗測得其開路電壓與溫差之間的關系如圖4所示。

在供暖系統中，溫差發電器件熱面緊密貼在室內暖氣片上，發電器件冷面緊貼散熱裝置，將導熱硅脂涂抹在散熱裝置的底座與溫差發電模塊冷面之間，這樣能更好地將熱量由熱管導出，最后由散熱片將熱量散到空氣中，將上述裝置安裝好并用螺絲固定。經測試，冬天暖氣片溫度與室內溫度相差10℃～45℃。由實驗數據可知，輸出開路電壓為0.7V～3V。

3 穩壓電路原理

溫差發電模塊的輸出隨著溫差的變化而變化，熱源溫度很難控制在一個固定溫度，室內溫度也隨著天氣、時間的變化而變化，這樣溫差發電模塊輸出的電壓不穩定，需要穩壓電路穩壓后才能給熱量表供電，給充電電池充電。本研究使用精工電子的充電泵S882-Z與DC-DC轉換器相結合,實現升壓穩壓，穩壓電路原理圖如圖5所示。

開關電容式電壓變換器是充電泵的另一種叫法，是利用“快速”或“泵送”電容（而非電感或變壓器）來存儲能量的變換器。其電壓提升是通過開關陣列、振蕩器、邏輯電路及比較控制器來實現，能量是靠電容器來貯存。其工作原理可以簡單地表述為：通過受控的方式釋放存儲的能量來獲取所需要的輸出電壓。電容器的快速充放電，使輸入電壓成倍增加或降低，得到所需要的輸出電壓。這種方式的效率很高，可以達到80%左右，并且結構簡單，只需外接陶瓷電容。因此，可利用充電泵將溫差發電模塊產生的小電壓積聚升壓，使電能升高到一定程度，達到給熱量表供電，給充電電池充電的目的。

本裝置使用的S-882Z是一個超低壓啟動充電泵，S8353-30是DC-DC升壓芯片。輸入電壓范圍0.3V～3V，輸出電壓為3V。充電泵內部結構圖如圖6所示，工作流程圖如圖7所示。

工作原理為[4]：（1）當輸入電壓大于充電泵輸入端子的0.3V電壓時，啟動內部的振蕩電路，并輸出脈沖信號。（2）輸出的脈沖信號驅動充電泵電路，充電泵輸入端子的電壓轉換為升壓電壓。（3）升壓電壓輸出后，慢慢充電到啟動用電容器（CCPOUT）中，這樣就造成了CPOUT端子電壓緩慢上升。（4）當CPOUT端子電壓（VCPOUT）超過放電開始電壓（VCPOUT1）時，轉換器（COMP1）的輸出信號就會從高電位轉變為低電位。放電控制開關會轉變為“開”的狀態。（5）開啟之后，CCPOUT處所充電的升壓電力會從OUT端子處開始放電。（6）當VCPOUT小于放電停止電壓（VCPOUT2）時，放電控制開關轉變為“關”的狀態而停止放電。（7）當端子電壓（VVM）達到開/關控制電壓（VOFF）以上時，轉換器（COMP2）的輸出信號（EN-）就會從低電位轉變為高電位。因此，振蕩電路會停止工作，并轉變為休眠狀態。（8）當VVM不能達到VOFF以上時，會利用來自充電泵電路的升壓電力對CCPOUT進行再充電，并返回到（3）。

以圖5所示的電路作為自供電裝置的穩壓模塊，將溫差發電模塊的輸出作為穩壓模塊的輸入。根據應用需求，此穩壓電路后可連接升壓芯片，如使用MAX731將電壓抬升到5V，給工作電壓為5V的熱量表供電，或給5V的充電電池充電。因為充電泵可以超低壓啟動，當溫差較小時，只要溫差電模塊輸出超過0.3V，充電泵仍可以啟動給充電電池充電，可以最大限度的利用低溫熱源。

4 充電保護電路

如果將鋰電池作為充電電池[5]，必須保證合理有效地利用其電池容量，當達到其最大電壓以后，不能進行過壓充電，否則會損壞電池的使用，必須有一套合理的充電保護電路。相同原理，如果電池過度放電會面臨同樣的問題，因此，合理的放電保護電路也是必不可少的。為了保護充電電池，本研究在充電電池與穩壓模塊之間增加充電保護芯片MCP73831。MCP73831是一款高級線性充電管理控制器，充電電路圖如圖8所示。

MCP73831采用恒流/恒壓充電算法，并提供預充選項和充電結束控制選項。預充值和充電終止值與預設的恒流值成比例關系。通過在PROG引腳和VSS引腳之間的電阻來控制預充電流、快速充電電流和終止電流的大小。

5 結束語

本文所研究的自供電裝置具有安全、不存在觸電及爆炸隱患、能長期工作的特點。溫差發電器件和穩壓電路都屬固定器件，便于安裝，電路中大部分元件都采用貼片封裝，使裝置簡單、體積小。該裝置最大限度地利用低溫熱源，將熱能轉化為電能，使用充電泵和DC/DC轉換器穩壓，可用于供暖系統中熱量表供電、充電電池充電。僅使用兩片溫差發電器件，相比以往研究中使用的溫差發電組件串并聯矩陣，大大節約了成本。利用合理的電池充放電保護電路，大大降低了電池損壞的風險。

[1]屈健.低溫差下半導體溫差發電器設計與性能研究[D].同濟大學,2006.

[2]STRASSER M.AIGNER R,LAUTERBACHC,eta1.Micromachined CMOS thermoelectric generators as on-chip power supply[J].Sensors and Actuators A.Physical,2004,114（2-3）:362—370.

[3]賈磊，陳則韶，胡芄，孫煒.半導體溫差發電器件的熱力學分析[J].中國科學技術大學學報.2004 ,34（6）:684－687.

[4]李曉延.超低輸入電壓升壓電路解決方案[J].2007,11:47-49.

[5]林玉蘭，呂迎陽，梁 廣，陳忠.基于半導體溫差發電模塊的鋰電池充電裝置[J].電源技術,2006,30（1）:38－40.