半導體溫差發電裝置的研究

賈鶴鳴，李敬源，楊明，溥濤野，王冠

(東北林業大學 機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

半導體溫差發電裝置的研究

賈鶴鳴，李敬源，楊明，溥濤野，王冠

(東北林業大學 機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

本文旨在研究半導體溫差發電模塊輸出電壓、輸出功率與冷熱端溫差的關系，采用高性能的隔熱材料以及冷卻水循環降溫措施使溫差始終保持較高數值，根據塞貝克原理，利用熱電材料直接將熱能轉化為電能，進而通過相應的電源穩壓、充電模塊，形成一個小型的充電裝置，可以給生活中的手機等移動設備進行充電。

溫差發電；塞貝克效應；輸出功率；穩壓模塊

0 引言

隨著目前社會和科技的的發展、手機、mp3等便攜數碼設備已經越來越離不開我們的生活。但是在某些特殊的場合，這些設備的供電就成了一個問題。另一方面，隨著能源的消耗，可用利用的環境資源越來越少。這對開發新的能源技術有了更高的要求，如何做到人與自然的和諧發展也是當前迫在眉睫的事情[1-4]。而半導體溫差發電裝置技術的產生對能源危機來說有了新的希望，它具有環保綠色、循環利用、安全可靠、經濟效益好等優點，所以發展前景極為廣闊[5-6]。

溫差發電技術是近幾年來發展發展較快的一種熱能發電技術。該技術它具有環保、無噪聲、工作安全可靠等一系列優點，因而其應用領域可設計到軍事與航天、汽車尾氣發電機、工業余熱發電、生活余熱發電等諸多領域[7-10]。溫差發電可以直接將熱能轉化為電能，但目前由于受到熱電材料自身的因素和環境因素的影響，使得大多數溫差發電裝置的熱轉化效率很低，在本次設計當中為了提高其效率，將四組溫差發電片串聯，另外采用高性能保溫材料和循環冷卻水使得溫差保持在一個相對理想的數值下，從而減小環境因素的影響，使得發電效率進一步得到提高。

1 發電裝置的基本構成及原理

1.1 直流電產生模塊

本次發電裝置的結構圖如圖1所示，其主要包括三大部分：溫差發電模塊、穩壓模塊和充電模塊。其中溫差發電模塊由半導體溫差發電片串聯模塊、熱源以及冷水段冷散熱三個部分構成，只要給該模塊提供溫差，該溫差發電模塊的兩端便可以產生電壓差，從而為可充電設備提供電能。但是另一方面由于溫差的不穩定會導致產生的電壓不穩定，無法給充電設備提供正常的供電電壓，因而必須對產生的電壓進行穩壓處理，然后方可利用穩定的電壓。穩壓模塊將不穩定的直流電能轉換成穩定的直流電能。充電模塊將電能通過充電電路給設備進行充電。各個模塊如圖1所述。

直流電的產生主要是運用TEG1-241-2.0-1.2型半導體溫差發電片將熱能轉換為直流電能。根據熱電效應，將兩種半導體結合，并使一端處于高溫狀態，另一端處于低溫狀態，那么在溫度低的一端便會產生溫差電動勢，且溫差電動勢與溫差的關系呈現正比關系，即：

圖1 半導體溫差發電模塊構架Fig. 1 Structure of the semiconductor thermoelectric module

圖2 半導體溫差發電片工作方式Fig. 2 Work Pattern of the semiconductor thermoelectric's module

其中ΔU為冷端產生的溫差電動勢，ΔT為熱端和冷端的溫差，α稱為塞貝克系數, 其單位是 V/K 或 μV/K，塞貝克系數由材料本身的電子能帶結構決定的。半導體溫差發電片工作方式如圖2所示。

1.2 穩壓電路

由于熱端溫度的變化以及冷端散熱的局限，半導體溫差發電片兩端的溫差會出現波動, 根據塞貝克效應,輸出的電壓也不穩定。因此需引入一個穩壓電路模塊穩定輸出電壓。

穩壓電路設計分析：(1)半導體發電模塊輸出電壓在4.2V-6.5V；(2)現在，小米、華為大多品牌手機充電電源適配器輸出的是5V，1000mA直流電。因此，穩壓電路選用美國國家半導體公司生產的串聯集成穩壓器LM317，LM317是一種三端可調輸出正電壓穩壓器，輸出電壓范圍1.2V至37V連續可調，負載電流最大能達1.5A，而且此穩壓器非常易于使用，僅需兩個外部電阻來設置輸出電壓，它的線性調整率和負載調整率也優于標準的固定穩壓器。此外內置有過載保護、安全區保護等多種保護電路，能有效防止燒壞。

穩壓電路圖如圖3所示。工作時，LM317建立并保持輸出與調節端之間1.25的標稱參考電壓(Vref)，這一參考電壓由Radj-1轉換成編程電流(Iprog),該恒定電流經R2到地。

輸出電壓Vout可以由如下公式給出：

根據電路的實際需要，適當調節電位器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進行設計，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目使得TP4056成為本課題首選。內部采用了PMOSFET架構，加上防倒充電路，無需再添加外部隔離二極管。熱反饋可以對充電電流進行自動調節，以便在大功率操作或高溫環境下對芯片溫度加以限制。TP4056還具有電池溫度檢測、欠壓鎖閉、自動再充電和兩個用于指示充電狀態的LED引腳。

圖3 穩壓裝置應用電路Fig. 3 Regulator circuit

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

圖5 半導體溫差發電裝置實物圖Fig. 5 Picture of the semiconductor thermoelectric generator

2 工作過程及性能測試

2.1 工作過程

本課題設計的半導體溫差發電裝置如圖5所示。裝置可放入平底鍋或容器內，燒開水發電為手機充電。當充電裝置工作時，四片溫差發電組件串聯聯產生的電能作為穩壓充電模塊的電源輸入，當電壓達到穩壓充電模塊的啟動電壓4.2V時，經過穩壓整流后就能為需要充電的數碼設備進行充電；四片溫差發電片串聯產生的電能將驅動水泵抽水進行冷循環，進一步降低冷面溫度，增大溫差，提高溫差發電組件的輸出功率。隨著輸出功率的增加，水泵抽水量增大，溫差發電組件冷熱面溫差增大，其輸出功率也隨之增大，最終達到相對穩定的狀態。由于穩壓充電模塊的作用，其充電電壓始終穩定在5V(±3%)， 但是可以提供更大的充電電流，可以同時為多個設備充電。

2.2 性能測試與分析

在實驗過程中采用鋁殼式PTC加熱器作為熱源，采用模塊化測試的方法，先對各個模塊進行測試然后進行整體測試。

進行在不同溫差、不同負載下單體的功率效應曲線。繪制成圖6，可見在負載相同，20℃、40℃、60℃時功率變化呈現遞增，即隨溫差的增大，輸出功率出現較大提升。

在整體測試中，保持熱端溫度為100℃，冷端溫度為30℃左右時，直流電產生模塊可以輸出4-8V 不穩定電壓，能產生4W 左右輸出功率，滿足鋰離子電池的充電要求。輸出電壓經過穩壓電路后，穩定輸出5V 電壓供給充電電路，最后經過充電保護電路，將電能儲存在鋰離子電池中。實驗對摩托羅拉V8手機進行充電測試，結果如表1所示。

從原版充電器充電時間和半導體充電裝置充電時間測試結果的對比可以看到，使用兩種方式對手機進行充電時間差別在±5%以內，滿足正常充電需求；充電過程中沒有發生充電設備過熱的情況，并在充電完成時，充電提示指示燈進行滿電提示。

表1 充電裝置測試結果Tab. 1 The test results of charging device

圖6 功率效應曲線Fig. 6 Relation betweem output power and temperature difference

3 總結

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

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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

國家自然基金項目(31270757), 東北林業大學大學生創新創業訓練計劃項目(201410225181), 中央高校基本科研業務費專項資金(2572014BB03)

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

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