一種溫差發電式激光指示器設計

劉洋 陳卓

摘要 激光指示器是一種使用廣泛的激光手握筆型發射器，針對目前激光指示器供電電源容量有限、耐用度低等問題，設計了一種溫差發電式激光指示器，利用熱電材料的賽貝克效應和碳納米管薄膜熱電發電結構產生電流用于激光二極管的供電，設計散熱結構以維持發電結構兩端的溫差，通過升壓穩壓電路產生穩定的電動勢，從而提高裝置工作的可靠性。

【關鍵詞】溫差發電 碳納米管薄膜 激光指示器 升壓穩壓電路

激光指示器是一種可見激光手握筆型發射器，可以投映出一個光點或一條光線指向物體以增強演示效果，因其體積小、用途廣、使用便捷等優點，成為一種在教學、辦公和旅游場所經常使用的便攜式電子設備。目前激光指示器的供電電源主要是普通一次性堿性電池和可充電鋰電池，存在容量有限、壽命短、長期放置電能自然耗光等弊端，這些問題極大地影響了激光指示器的耐用度，此外廢舊電池的丟棄排放會對環境造成嚴重污染。基于以上問題，為滿足激光指示器日益增長的市場需求，需要為之提供一種長效穩定、節能環保且方便充電的電源。

熱電材料是一種可實現熱能和電能直接相互轉換的功能材料，具有污染小、無噪音、性能可靠，使用壽命長的優點。當其兩端存在一定溫差時，內部會產生電動勢，即產生“塞貝克效應”，基于該效應的而發展的溫差發電技術在航天探索、工業余熱回收和電子器件開發等領域被廣泛應用，此技術也可以應用在激光指示器的電源設計上來解決上述問題。

基于以上背景，本項目結合手握式激光筆指示器的使用特點，通過碳納米管薄膜熱電發電結構，利用溫差發電效應產生電流用于激光二極管的供電，并設計散熱結構以維持發電結構兩端的溫差，通過升壓穩壓電路產生穩定的電動勢，提高裝置工作的可靠性。

1 裝置整體設計

該溫差發電式激光指示器由碳納米管薄膜熱電發電結構、升壓穩壓電路和散熱結構組成。碳納米管熱電單元串聯成圓柱體薄膜式熱電發電結構，其熱端位于手握位置，與外殼的間隙中填充導熱硅脂以降低熱阻，增大導熱率，冷端通過散熱結構和外殼與空氣接觸，冷熱兩端通過導線連接升壓穩壓電路和激光二極管。當環境與手心存在溫差時，發電結構可以產生電流供給電路模塊，從而使激光二極管正常工作，裝置整體結構如圖1所示。

2 碳納米管薄膜熱電發電結構

2.1 熱電發電原理

熱電材料是一種可實現熱能和電能直接相互轉換的功能材料，這種熱電轉換效應來源于材料內部載流子的分布和運動特性。當外部溫度均勻分布時，材料內部載流子的分布也是均一的;當材料兩端存在一定的溫度差時，熱端和冷端的載流子的能量也存在差異，在材料內部形成載流子從熱端到冷端的擴散，在載流子自建電場的作用下，這種擴散運動趨于穩定并產生穩定的電動勢，以上現象稱為“賽貝克效應”。通過將一塊n型半導體和一塊p型半導體連接形成熱電材料，當材料兩端存在溫差時，由于賽貝克效應產生的載流子可在閉合回路上流動，從而維持材料冷熱兩端穩定的電壓。

2.2 碳納米管薄膜熱電發電結構

碳納米管是由石墨碳原子構成的直徑為納米量級的空心圓柱管狀結構，具有低密度、高強度、高韌性、熱穩定性和導電性好等特點。通過多個n型和p型碳納米管熱電發電單元串聯構成碳納米管薄膜，當其冷熱兩端存在溫度差時內部因熱流流動形成溫度梯度，進而產生

碳納米管薄膜熱電發電結構主體部分由碳納米管熱電發電單元通過電串連、熱并聯的方式連接而成，碳納米管薄膜附著在柔性基底上，薄膜兩端蒸鍍一定厚度的純銅作為電極，并通過銀膠連接導線向外輸出電信號。用手掌握持熱端，熱氣流流過碳納米管薄膜表面，通過熱傳導和自然對流換熱等熱傳輸過程，薄膜兩端產生溫差電動勢，經由導線輸出電流。

3 升壓穩壓電路

碳納米管薄膜熱電發電結構兩端的溫差變化時，其輸出的電壓也是不穩定的，為了保證激光二極管的正常工作，設計了一種基于Boost拓撲原理的升壓穩壓電路，該電路具有輸入電流連續，效率高，功耗小，以及功率因數高、諧波失真小和升壓速度快等特點。

如圖2所示，該電路由振蕩電路和穩壓電路構成，其中三極管Q1、Q3和電容C1構成振蕩電路，三極管Q2、整流二極管D1和穩壓二極管D2構成可輸出穩定電壓的穩壓電路，電感L1作為儲能電感，電容C2作為濾波電容，R2作為與激光二極管LED1串接的限流電阻。依據Boost拓撲原理，當Q1和Q2處于通態時，碳納米管薄膜熱電發電結構產生電壓U1并作為電源V1向電感L1充電，充電電流基本恒定為I，同時電容C2上的電壓向激光二極管LED1供電，由于C2容值較大，可保持激光二極管上輸出電壓U0，該階段電感L1上儲存的能量為U1It1;當Q1和Q2處于斷態時，電源V1向電感L1同時向電容C2充電，并向激光二極管提供能量，該階段電感L1上釋放的能量為（UO-Ul）lt2，電路處于穩定工作狀態時，由于電感L在一個電路周期中積蓄的能量與釋放的能量相等，即

通過上述電路通斷過程中電感元件的能量傳遞作用和電容元件的儲能作用，可將碳納米管薄膜熱電發電結構產生的電信號進行升壓和穩壓作用，輸出電壓約等于齊納二極管D2的穩壓值。

4 散熱結構

裝置內部熱量流動如圖3所示，由于裝置體積小，不宜采用水冷、風冷等散熱裝置，同時結合裝置密封、防水的結構設計，該部分設計為自然對流散熱方案。由熱流路徑圖可知熱電發電結構冷端穩態溫度的保持取決于以下3個方面：熱端與冷端之間的輻射能量、散熱器的熱傳導能力和裝置外殼的對流、輻射能力，熱端與冷端間的輻射能量與材料的固有屬性有關，現可通過選用合適的散熱器和外殼材料，并優化結構設計來散熱。

提高散熱器的導熱能力需要選用厚度較薄、熱導率較高的材料，鋁合金材料可以滿足散熱性能和經濟性能的要求。針對散熱器的結構設計，采用輕質結構、高效吸熱的蜂巢模型來構建，原因是在蜂巢散熱器模型中存在著“煙囪效應”，該效應強化了自然對流，進而提高散熱效率。

發電結構冷端的熱量經散熱器傳導后全部由激光指示器外殼吸收，通過對流和輻射將熱量散發到外部環境中，增大表面輻射率是自然散熱條件下最為有效的降低溫度的方法，冷端部分外殼也采用上述鋁合金，加入表面涂鍍如噴漆、鉻酸鹽鈍化處理等工藝，在提高散熱效率的同時也增加了產品耐腐蝕性和美觀性。

參考文獻

[1]趙新兵.熱電材料與溫差發電技術[J].現代物理知識，2013，25 （03）：40-44.

[2]曹明軒，基于碳納米管的熱電化學電池研究[D].溫州大學，2013.

[3]盧江雷，王廣龍，孫連峰，高鳳岐，余芳，王鋼，碳納米管薄膜氣流熱電發電機性能測試分析[J].傳感器與微系統，2012，31（08）：37-39.

[4]奚勇，小功率超級電容獨立電源的研究與設計[D]，昆明理工大學，2014.

[5]羅小勇，盧果，鄭解良，王強，于林科.ANSYS在電源設備熱設計中的應用[J].自動化應用，2014 （03）：10-11+18.

[6]李成璞，基于半導體溫差發電的便攜照明裝置[J]，科技傳播，2016，8 （17）：188— 189.