半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的研究

賈鶴鳴，李敬源，楊明，溥濤野，王冠

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的研究

賈鶴鳴，李敬源，楊明，溥濤野，王冠

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

本文旨在研究半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊輸出電壓、輸出功率與冷熱端溫差的關(guān)系，采用高性能的隔熱材料以及冷卻水循環(huán)降溫措施使溫差始終保持較高數(shù)值，根據(jù)塞貝克原理，利用熱電材料直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而通過相應(yīng)的電源穩(wěn)壓、充電模塊，形成一個(gè)小型的充電裝置，可以給生活中的手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行充電。

溫差發(fā)電；塞貝克效應(yīng)；輸出功率；穩(wěn)壓模塊

0 引言

隨著目前社會(huì)和科技的的發(fā)展、手機(jī)、mp3等便攜數(shù)碼設(shè)備已經(jīng)越來越離不開我們的生活。但是在某些特殊的場(chǎng)合，這些設(shè)備的供電就成了一個(gè)問題。另一方面，隨著能源的消耗，可用利用的環(huán)境資源越來越少。這對(duì)開發(fā)新的能源技術(shù)有了更高的要求，如何做到人與自然的和諧發(fā)展也是當(dāng)前迫在眉睫的事情[1-4]。而半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置技術(shù)的產(chǎn)生對(duì)能源危機(jī)來說有了新的希望，它具有環(huán)保綠色、循環(huán)利用、安全可靠、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，所以發(fā)展前景極為廣闊[5-6]。

溫差發(fā)電技術(shù)是近幾年來發(fā)展發(fā)展較快的一種熱能發(fā)電技術(shù)。該技術(shù)它具有環(huán)保、無噪聲、工作安全可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而其應(yīng)用領(lǐng)域可設(shè)計(jì)到軍事與航天、汽車尾氣發(fā)電機(jī)、工業(yè)余熱發(fā)電、生活余熱發(fā)電等諸多領(lǐng)域[7-10]。溫差發(fā)電可以直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，但目前由于受到熱電材料自身的因素和環(huán)境因素的影響，使得大多數(shù)溫差發(fā)電裝置的熱轉(zhuǎn)化效率很低，在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中為了提高其效率，將四組溫差發(fā)電片串聯(lián)，另外采用高性能保溫材料和循環(huán)冷卻水使得溫差保持在一個(gè)相對(duì)理想的數(shù)值下，從而減小環(huán)境因素的影響，使得發(fā)電效率進(jìn)一步得到提高。

1 發(fā)電裝置的基本構(gòu)成及原理

1.1 直流電產(chǎn)生模塊

本次發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其主要包括三大部分：溫差發(fā)電模塊、穩(wěn)壓模塊和充電模塊。其中溫差發(fā)電模塊由半導(dǎo)體溫差發(fā)電片串聯(lián)模塊、熱源以及冷水段冷散熱三個(gè)部分構(gòu)成，只要給該模塊提供溫差，該溫差發(fā)電模塊的兩端便可以產(chǎn)生電壓差，從而為可充電設(shè)備提供電能。但是另一方面由于溫差的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的電壓不穩(wěn)定，無法給充電設(shè)備提供正常的供電電壓，因而必須對(duì)產(chǎn)生的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理，然后方可利用穩(wěn)定的電壓。穩(wěn)壓模塊將不穩(wěn)定的直流電能轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電能。充電模塊將電能通過充電電路給設(shè)備進(jìn)行充電。各個(gè)模塊如圖1所述。

直流電的產(chǎn)生主要是運(yùn)用TEG1-241-2.0-1.2型半導(dǎo)體溫差發(fā)電片將熱能轉(zhuǎn)換為直流電能。根據(jù)熱電效應(yīng)，將兩種半導(dǎo)體結(jié)合，并使一端處于高溫狀態(tài)，另一端處于低溫狀態(tài)，那么在溫度低的一端便會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，且溫差電動(dòng)勢(shì)與溫差的關(guān)系呈現(xiàn)正比關(guān)系，即：

圖1 半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊構(gòu)架Fig. 1 Structure of the semiconductor thermoelectric module

圖2 半導(dǎo)體溫差發(fā)電片工作方式Fig. 2 Work Pattern of the semiconductor thermoelectric's module

其中ΔU為冷端產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，ΔT為熱端和冷端的溫差，α稱為塞貝克系數(shù), 其單位是 V/K 或 μV/K，塞貝克系數(shù)由材料本身的電子能帶結(jié)構(gòu)決定的。半導(dǎo)體溫差發(fā)電片工作方式如圖2所示。

1.2 穩(wěn)壓電路

由于熱端溫度的變化以及冷端散熱的局限，半導(dǎo)體溫差發(fā)電片兩端的溫差會(huì)出現(xiàn)波動(dòng), 根據(jù)塞貝克效應(yīng),輸出的電壓也不穩(wěn)定。因此需引入一個(gè)穩(wěn)壓電路模塊穩(wěn)定輸出電壓。

穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)分析：(1)半導(dǎo)體發(fā)電模塊輸出電壓在4.2V-6.5V；(2)現(xiàn)在，小米、華為大多品牌手機(jī)充電電源適配器輸出的是5V，1000mA直流電。因此，穩(wěn)壓電路選用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的串聯(lián)集成穩(wěn)壓器LM317，LM317是一種三端可調(diào)輸出正電壓穩(wěn)壓器，輸出電壓范圍1.2V至37V連續(xù)可調(diào)，負(fù)載電流最大能達(dá)1.5A，而且此穩(wěn)壓器非常易于使用，僅需兩個(gè)外部電阻來設(shè)置輸出電壓，它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器。此外內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路，能有效防止燒壞。

穩(wěn)壓電路圖如圖3所示。工作時(shí)，LM317建立并保持輸出與調(diào)節(jié)端之間1.25的標(biāo)稱參考電壓(Vref)，這一參考電壓由Radj-1轉(zhuǎn)換成編程電流(Iprog),該恒定電流經(jīng)R2到地。

輸出電壓Vout可以由如下公式給出：

根據(jù)電路的實(shí)際需要，適當(dāng)調(diào)節(jié)電位器Radj-1、Radj-2阻值的配比，獲得所需電壓。

1.3 充電電路

本文采用鋰離子電池充電管理芯片TP4056進(jìn)行設(shè)計(jì)，TP4056是采用恒定電流/恒定電壓的線性充電器，其帶有散熱片的SOP8封裝與較小的外部元件數(shù)目使得TP4056成為本課題首選。內(nèi)部采用了PMOSFET架構(gòu)，加上防倒充電路，無需再添加外部隔離二極管。熱反饋可以對(duì)充電電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以便在大功率操作或高溫環(huán)境下對(duì)芯片溫度加以限制。TP4056還具有電池溫度檢測(cè)、欠壓鎖閉、自動(dòng)再充電和兩個(gè)用于指示充電狀態(tài)的LED引腳。

圖3 穩(wěn)壓裝置應(yīng)用電路Fig. 3 Regulator circuit

圖4 鋰電池充電應(yīng)用電路Fig. 4 Lithium-ion battery charged circuit

圖5 半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置實(shí)物圖Fig. 5 Picture of the semiconductor thermoelectric generator

2 工作過程及性能測(cè)試

2.1 工作過程

本課題設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置如圖5所示。裝置可放入平底鍋或容器內(nèi)，燒開水發(fā)電為手機(jī)充電。當(dāng)充電裝置工作時(shí)，四片溫差發(fā)電組件串聯(lián)聯(lián)產(chǎn)生的電能作為穩(wěn)壓充電模塊的電源輸入，當(dāng)電壓達(dá)到穩(wěn)壓充電模塊的啟動(dòng)電壓4.2V時(shí)，經(jīng)過穩(wěn)壓整流后就能為需要充電的數(shù)碼設(shè)備進(jìn)行充電；四片溫差發(fā)電片串聯(lián)產(chǎn)生的電能將驅(qū)動(dòng)水泵抽水進(jìn)行冷循環(huán)，進(jìn)一步降低冷面溫度，增大溫差，提高溫差發(fā)電組件的輸出功率。隨著輸出功率的增加，水泵抽水量增大，溫差發(fā)電組件冷熱面溫差增大，其輸出功率也隨之增大，最終達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。由于穩(wěn)壓充電模塊的作用，其充電電壓始終穩(wěn)定在5V(±3%)， 但是可以提供更大的充電電流，可以同時(shí)為多個(gè)設(shè)備充電。

2.2 性能測(cè)試與分析

在實(shí)驗(yàn)過程中采用鋁殼式PTC加熱器作為熱源，采用模塊化測(cè)試的方法，先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試然后進(jìn)行整體測(cè)試。

進(jìn)行在不同溫差、不同負(fù)載下單體的功率效應(yīng)曲線。繪制成圖6，可見在負(fù)載相同，20℃、40℃、60℃時(shí)功率變化呈現(xiàn)遞增，即隨溫差的增大，輸出功率出現(xiàn)較大提升。

在整體測(cè)試中，保持熱端溫度為100℃，冷端溫度為30℃左右時(shí)，直流電產(chǎn)生模塊可以輸出4-8V 不穩(wěn)定電壓，能產(chǎn)生4W 左右輸出功率，滿足鋰離子電池的充電要求。輸出電壓經(jīng)過穩(wěn)壓電路后，穩(wěn)定輸出5V 電壓供給充電電路，最后經(jīng)過充電保護(hù)電路，將電能儲(chǔ)存在鋰離子電池中。實(shí)驗(yàn)對(duì)摩托羅拉V8手機(jī)進(jìn)行充電測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

從原版充電器充電時(shí)間和半導(dǎo)體充電裝置充電時(shí)間測(cè)試結(jié)果的對(duì)比可以看到，使用兩種方式對(duì)手機(jī)進(jìn)行充電時(shí)間差別在±5%以內(nèi)，滿足正常充電需求；充電過程中沒有發(fā)生充電設(shè)備過熱的情況，并在充電完成時(shí)，充電提示指示燈進(jìn)行滿電提示。

表1 充電裝置測(cè)試結(jié)果Tab. 1 The test results of charging device

圖6 功率效應(yīng)曲線Fig. 6 Relation betweem output power and temperature difference

3 總結(jié)

本次設(shè)計(jì)裝置的特點(diǎn)：半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊利用沸水所提供的熱能，通過四片溫差發(fā)電組件工作在80～120℃的溫差下，能夠輸出電壓4.2～8.0V、電流0.5～1A 的不穩(wěn)定直流電源，解決在邊遠(yuǎn)不供電地區(qū)人們充電難題；另一方面該裝置的穩(wěn)壓充電模塊，通過半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊所提供的不穩(wěn)定直流源，輸出5V(±3%)的穩(wěn)定直流電，為各類數(shù)碼設(shè)備進(jìn)行安全充電。隨著科技的進(jìn)步，便攜設(shè)備的的發(fā)展越來越快，使用率會(huì)越來越普及，在某些特定的場(chǎng)合比如野外、高寒偏遠(yuǎn)山區(qū)等地方，這種溫差發(fā)電裝置的的利用將會(huì)越來越廣泛。因此半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)的發(fā)展也將會(huì)日益完善與成熟。

[1] 高敏, 張景韶, ROWE D M. 溫差電轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用[M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 1996: 24-97.

M Gao, J S Zhang, ROWE D M. Thermoelectric conversion and application[M]. Beijing: Weapon Industry Press, 1996: 24-97.

[2] 王澤憲. 熱電偶原理及其檢定[M]. 北京: 中國計(jì)量出版社, 1993: 4-9.

Z X Wang. The principle of thermocouple and verification[M]. Beijing: China Metrology, 1993: 4-9.

[3] 王洪輝, 庹先國, 余小平. 基于單芯片的鋰電池/組充電器設(shè)計(jì)[J]. 能源技術(shù), 2009, 33(2): 127-130.

H H Wang, X G Tuo, X P Yu. Lithium-ion battery charger design/group based on single chip[J]. Energy technology, 2009, 33 (2): 127-130.

[4] 劉恩科, 朱秉升, 羅晉生. 半導(dǎo)體物理學(xué)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008: 350-365.

E K Liu, B S Zhu, J S Luo. Semiconductor physics[M]. Beijing: Beijing Electron Industry Press, 2008: 350-365.

[5] 葉劍鋒. 半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)研究及電熱式試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2012.

J F Ye. Semiconductor Thermoelectric Generating System Research and Electrothermal Test-bench Design[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2012.

[6] ROWE D M. Thermoelectrical environmentally-friendly source of electrical power[J]. Renewable Energy, 1999, 16: 1251-1256.

[7] 付明玉, 吳寶奇, 張曉霜. 基于反步滑模控制的動(dòng)力定位船鋪管循跡建模與分析[J]. 新型工業(yè)化, 2014, 4(3): 17-22.

M Y Fu, B Q Wu, X S Zhang. Modeling and analysis of trajectory tracking for DP vessel pipelaying based on back-stepping sliding mode method[J]. The Journal of New Industrialization, 2014, 44(3): 17-22.

[8] 周小利, 王宏強(qiáng), 程永強(qiáng), 等. 寬帶MIMO雷達(dá)角度估計(jì)的統(tǒng)計(jì)分辨力[J]. 新型工業(yè)化, 2014, 4(4): 9-16.

X L Zhou, H Q Wang, Y Q Cheng, et al. Statistical Resolution Limit of Angle Estimation for Wideband MIMO Radar[J]. The Journal of New Industrialization, 2014, 4(4): 9-16.

[9] 劉曉東, 黃萬偉, 吳云潔, 等. 彈性彈體被動(dòng)、主動(dòng)和復(fù)合控制及其適用性分析[J]. 新型工業(yè)化, 2014, 4(4): 11-19.

X D Liu, W W Huang, Y J Wu, et al. Passive, Active and Compound Control for Elastic Missile and Applicability Analysis[J]. The Journal of New Industrialization, 2014, 4(5): 11-19.

[10] 常志遠(yuǎn). 基于自適應(yīng)EWMA算法t控制圖檢測(cè)能力的研究[J]. 新型工業(yè)化, 2014, 4(6): 15-21.

Z Y Chang. Research on detection capability of t control chart based on adaptive EWMA algorithm[J].The Journal of New Industrialization, 2014, 44 (6): 15-21.

Research of semiconductor thermoelectric power generation device

JIA Heming, LI Jingyuan, YANG Ming, PU Taoye, WANG Guan
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry Uniνersity, Heilongjiang 150040, China)

The relationship between output voltage/output power of the semiconductor thermoelectric module and the temperature difference between two sides of it was studied. High performance insulation material combining with the cooling water circulation system are used to keep the temperature different. With Seebeck effect as the theoretical foundation, generate electricity by the semiconductor thermoelectric power generation modules, and cooperate with the corresponding voltage regulator module and the charging module, small charging device is produced, and it can be used charge for digital devices in life.

Thermoelectric; Seebeck effect; The output power; Voltage regulator module

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.01.05

國家自然基金項(xiàng)目(31270757), 東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410225181), 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2572014BB03)

賈鶴鳴(1983-), 男, 副教授, 博士, 主要研究方向: 非線性系統(tǒng)控制理論與應(yīng)用、智能控制與濾波技術(shù)方面的研究

賈鶴鳴，李敬源，楊明，等．半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的研究[J]．新型工業(yè)化，2015，5(1)：34-37