基于半導體溫差發電的便攜照明裝置

2016-10-10 01:47:04李咸璞天津市大港一中天津300270

科技傳播 2016年17期

李咸璞天津市大港一中，天津 300270

基于半導體溫差發電的便攜照明裝置

李咸璞
天津市大港一中，天津 300270

本文研究了半導體溫差發電模塊輸出功率與冷熱面溫差的關系，在實驗的基礎上設計了一種無需電池的便攜式照明裝置，裝置主要包括半導體溫差發電模塊、小功率LED發光模塊、穩壓電路模塊。半導體溫差發電模塊利用體溫與環境的溫差發電，經過穩壓電路的穩壓整流，為小功率LED發光模塊提供穩定的電流。

溫差發電；半導體；LED

便攜式照明裝置是我們生活中不可缺少的工具，傳統便攜式照明燈需要電池作為電源，此類產品有以下兩個問題，一是需要頻繁充電或者更換電池，尤其在不方便充電的戶外時，會給用戶帶來極大不方便；二是廢電池污染環境。目前半導體溫差發電技術日趨成熟，其利用體溫與環境的溫差即可滿足小功率LED的供電需求，并且溫差發電不受地點，天氣等條件的影響，隨時可以工作，能夠滿足應急情況下的照明需要，此裝置也不需要電池作為儲能，減少了電池的使用，符合國家提出的“生態文明建設”。

1 溫差發電原理

1.1塞貝克效應

在兩種不同材料的導體組成的閉合回路中，若兩種導體材料的溫度不同，分別為（T1，T2），在接觸點存在溫差時，此閉合回路中會產生電動勢，溫差與產生的電動勢在一定范圍內滿足以下公式［1］：

1.2溫差半導體片

如圖1所示，溫差半導體片由導熱陶瓷基片、金屬導電層、P（N）型熱電材料等組成。其一端處于高溫狀態，另一端處于低溫狀態下，因為熱激發作用，P型材料高溫端空穴濃度會高于低溫端，在濃度梯度的作用下，空穴將會擴散到低溫的一端，因此P型材料低溫端帶正電，高溫端帶負電［3］；N型材料由于熱激發作用，高溫端的自由電子擴散到低溫端，因此N型材料低溫端帶負電，高溫端帶正電。同時，高溫與低溫端會在導體中建立起一個靜電場，阻止帶電粒子的擴散運動，當達到靜電平衡時，半導體兩端就會形成有一定大小的電動勢［4-7］。

2 設計方案

2.1溫差發電模塊

溫差發電模塊整體設計為正六角柱筒，如圖2，6片溫差半導體片鑲嵌在正六角柱筒的6個側面上，冷端朝內，熱端朝外，正六角柱筒的材質為硬質塑料，溫差半導體片型號為TEP1-097T200，尺寸為20mm×40mm×3.4mm，最大耐溫200℃。由于溫差半導體片熱端和冷端相距較近，容易發生熱傳遞，因此維持兩端的溫度差是發電的關鍵技術。為獲得最大發電功率，溫差半導體片冷端通過導熱硅脂膠黏貼在鋁制散熱塊上，鋁制散熱塊可以帶走溫差半導體片熱端傳遞到冷端的熱量，使冷端始終保持環境溫度［8-10］。熱端作為正六角柱外側面的一部分，當用手掌握持本裝置時，直接與手掌接觸，充分吸收人體溫度。

半導體溫差發電模塊在實際應用中相當于一個隨著外界環境溫度變化的有內阻的直流電壓源，其串并聯特性與電壓源一樣，即串聯時電流不變，電壓為各個串聯模塊輸出電壓之和，總內阻為各個串聯模塊內阻之和；并聯時電壓不變，電流為各個并聯模塊電流之和，總內阻按照并聯電阻計算。無論是串聯還是并聯，其總功率都為各個模塊輸出功率之和［11］。生產廠家提供的TEP1-097T200溫差半導體片的參數如圖3，根據圖3所示參數，本文采用串聯的方式發電。

2.2穩壓電路

根據賽貝克效應的發電原理可知，如果溫差半導體片兩端的溫差變化時，其輸出的電壓也是不穩定的［12］，為了保證LED的正常工作，需要一個穩壓電路，本文采用可調集成穩壓器LM317，其電路圖如圖4。

圖4所示穩壓電路最大輸出電流為2.2A，電壓的輸出范圍為1.25～37V，1、2腳之間為1.25V電壓基準，改變R2阻值即可調整穩壓電壓值，為了使得穩壓器的輸出性能穩定，R1需要小于240Ω。輸出電壓Uo可由（2）式計算得到［13］。

3 工作性能分析

本裝置正常工作時，熱端吸收手掌溫度，穩定在32℃左右；考慮到本便攜式照明裝置冷端與環境溫度相近，且本裝置主要在野外夜間使用，我國野外夜間溫度一般低于10℃，為保證裝置的環境適用性，實驗中冷端取環境溫度為10℃［14，15］。在溫差固定的情況下，多次測量1片TEP1-097T200溫差發電片的輸出特性，結果如表1。