半導(dǎo)體溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀器的研制

陳國(guó)慶，寧 鐸*，梁棟平，文 婷

(1.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021;2.陜西龍門鋼鐵有限責(zé)任公司，陜西韓城715400)

半導(dǎo)體溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀器的研制

陳國(guó)慶1，寧 鐸1*，梁棟平2，文 婷1

(1.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021;2.陜西龍門鋼鐵有限責(zé)任公司，陜西韓城715400)

為了測(cè)試溫差發(fā)電模塊性能，根據(jù)半導(dǎo)體溫差發(fā)電原理設(shè)計(jì)制作了一種半導(dǎo)體溫差發(fā)電儀器，該儀器主要由發(fā)電模塊、溫控系統(tǒng)和顯示電路組成。它以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，可以在一定范圍內(nèi)設(shè)定溫差進(jìn)行發(fā)電，并且無(wú)需手動(dòng)測(cè)量即可實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)溫差下的發(fā)電模塊輸出電壓值/電流值，不但定性而且定量的測(cè)試了溫差發(fā)電模塊的輸出特性，繪制了相關(guān)曲線，分析了影響其輸出特性的因素。結(jié)果表明:該儀器操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、速度快。

溫差發(fā)電;塞貝克效應(yīng);信號(hào)采集;溫度控制;實(shí)時(shí)顯示

隨著化石能源的不斷消耗造成的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，尋求一種低碳環(huán)保的發(fā)展方式已經(jīng)成為各國(guó)的共識(shí)。溫差發(fā)電是一種新型的環(huán)境友好型發(fā)電方式，它的研究最早開始于20世紀(jì)40年代［1］，由于其具有清潔、安全、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，溫差發(fā)電在航空、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，美國(guó)、日本、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家更加重視溫差發(fā)電技術(shù)在民用領(lǐng)域的研究，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)溫差發(fā)電方面的研究，主要集中在發(fā)電器理論和熱電材料制備方面的研究，旨在為溫差發(fā)電器的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)和制造性能優(yōu)良的熱電材料，雖然我國(guó)是世界上最大的半導(dǎo)體熱電器件輸出國(guó)，但是在溫差發(fā)電器綜合設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面的研究還很欠缺［2］，因此通過半導(dǎo)體溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀器引導(dǎo)更多的人了解溫差發(fā)電并投入到這個(gè)研究領(lǐng)域有著非常重要的意義。

1 半導(dǎo)體溫差發(fā)電原理

1.1 塞貝克效應(yīng)(Seebeck Effect)

如圖1所示，由兩種不同材料的導(dǎo)體構(gòu)成的回路，如果結(jié)點(diǎn)處溫度不同，那么這個(gè)回路中就會(huì)有電流產(chǎn)生，在導(dǎo)體A開路處會(huì)有電動(dòng)勢(shì)存在，這個(gè)現(xiàn)象就叫做塞貝克效應(yīng)［3］，它是溫差發(fā)電的基礎(chǔ)。

若導(dǎo)體A和導(dǎo)體B處于不同的穩(wěn)定溫度T1和T2。則在回路的開路端會(huì)有一個(gè)電勢(shì)差，稱之為賽貝克電壓。其表達(dá)式為

式中V為開路段的電勢(shì)差，SA(T)、SB(T)分別為導(dǎo)體材料A、B的塞貝克系數(shù)，T1、T2分別為A、B結(jié)點(diǎn)處的絕對(duì)溫。如果SA(T)、SB(T)不隨溫度的變化而變化，式(1)即可以表達(dá)為:

圖1 溫差發(fā)電原理圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 半導(dǎo)體溫差發(fā)電單元和溫差發(fā)電模塊

圖3為溫差發(fā)電單元示意圖，它是指將P型和N型兩種不同類型的熱電材料一端相連形成PN結(jié)，使其一端置于高溫狀態(tài)，另一端處于低溫狀態(tài)態(tài)。由于熱激發(fā)作用，P(N)型材料高溫端空穴(電子)濃度高于低溫端。在濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子向低溫端擴(kuò)散，從而形成電動(dòng)勢(shì)［4］，這樣熱電材料就通過高低溫端間的溫差將高溫端輸入的熱能直接轉(zhuǎn)化成電能。溫差發(fā)電模塊是將幾十個(gè)甚至上百個(gè)溫差發(fā)電單元組合在一塊形成的。

圖3 溫差發(fā)電單元示意圖

2 半導(dǎo)體溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀器

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)

該儀器的功能是根據(jù)設(shè)定溫差自動(dòng)測(cè)量并顯示某時(shí)刻發(fā)電模塊輸出電壓與電流值。如圖4所示，儀器以半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊為核心，發(fā)電模塊的冷熱兩端各加一塊鋁板，目的是為了加熱均勻，鋁板外側(cè)分別是PTC加熱器和電阻絲加熱器(或DC12V風(fēng)扇)。當(dāng)設(shè)置一個(gè)溫差ΔT時(shí)，PTC加熱器自動(dòng)恒溫80攝氏度(即熱端溫度TH=80℃)，冷端理想溫度為TL=TH-ΔT，即把對(duì)溫差的控制轉(zhuǎn)化為對(duì)冷端溫度的控制。采用閉環(huán)控制方法［5］，將冷端溫度作為被控量，溫度傳感器AD590不斷檢測(cè)冷端溫度，并把檢測(cè)到的溫度與冷端理想溫度進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，最終使得溫差穩(wěn)定在設(shè)定值。這時(shí)LCD液晶顯示的電壓與電流值就是設(shè)定溫差下發(fā)電模塊輸出值。

圖4 溫差發(fā)電系統(tǒng)框圖

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要包括控制器，溫差發(fā)電模塊，溫度測(cè)量模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，液晶顯示模塊，加熱模塊等組成。

2.2.1 控制器

STC89C52RC單片機(jī)是一種低功耗、高性能的51內(nèi)核的CMOS 8 bit微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，不再需要啟動(dòng)像STC89C51那樣的12V的VPP編程高壓。使用簡(jiǎn)單且價(jià)格非常低廉。單片機(jī)通過處理溫差設(shè)定值和采集的溫度值來(lái)調(diào)節(jié)I/O的輸出進(jìn)而控制溫度的值，并控制溫差發(fā)電模塊輸出電壓與電流值的實(shí)時(shí)顯示。

2.2.2 溫差發(fā)電模塊

采用TEC1-12706溫差發(fā)電片，它由Bi2Te3，Sb2Te3固溶體合金材料組成。它PN結(jié)對(duì)數(shù)為127，內(nèi)部阻值2.1 Ω～2.4 Ω，溫度范圍-55℃～83℃，尺寸為40 mm×40 mm×3.8 mm。

2.2.3 溫度測(cè)量模塊

采用AD590溫度傳感器作為測(cè)量電路［8］，AD590屬于電流輸出型元件，它的輸出電流是以絕對(duì)溫度零度(-273℃)為基準(zhǔn)，每增加1℃，它會(huì)增加1 μA輸出電流，因此在室溫25℃時(shí)，其輸出電流Iout=273+ 25=298 μA。它的測(cè)溫范圍為-55℃～150℃，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2.2.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊

溫度測(cè)量電路采集到的溫度值以及溫差發(fā)電模塊輸出的電壓值均為模擬信號(hào)，需要轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)才能被單片機(jī)處理。溫度控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換模塊采用ADC0809，它是帶有8 bit A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。而且它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。

2.2.5 液晶顯示電路

為了同時(shí)顯示熱冷端溫度、溫差以及溫差發(fā)電模塊輸出電壓與電流，選用YD12864-0402B點(diǎn)陣LCD顯示電路，其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCⅡ字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面，且其硬件電路結(jié)構(gòu)和顯示程序都比較簡(jiǎn)潔。

2.2.6 加熱模塊

熱端采用PTC(Positive Temperature Coefficient)陶瓷加熱器加熱，PTC型陶瓷加熱器采用PTC陶瓷發(fā)熱組件與波紋條經(jīng)高溫膠粘組成，具有熱阻小、安全高效、節(jié)能環(huán)保、自動(dòng)恒溫等優(yōu)點(diǎn)。冷端加熱采用電阻絲加熱，通過一個(gè)閉環(huán)控制［7］來(lái)控制電阻絲的溫度。

2.3 實(shí)驗(yàn)儀器軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 軟件流程圖

軟件流程圖如圖5所示，其中TH為溫差發(fā)電模塊熱端溫度，TL為溫差發(fā)電模塊冷端溫度，ΔT為設(shè)定的溫差值，TL、TH和ΔT的單位均為攝氏度。

圖5 軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 固定負(fù)載情況下發(fā)電模塊輸出特性

從表1可以看出，發(fā)電模塊輸出電壓、電流和功率值均隨著溫差的增大而變大，并且剛開始增速比較大，當(dāng)溫差達(dá)到一定值后，它們的增速變得比較平穩(wěn)。

表1 負(fù)載為2 Ω時(shí)發(fā)電模塊輸出電壓電流與功率值

3.2 變負(fù)載下功率與溫差的關(guān)系

從表2可以看出，在相同的冷熱端溫差條件下，負(fù)載逐漸增加，輸出功率先增加后減小。這是由于輸出功率與輸出電壓及電流均有關(guān)系，只有在負(fù)載達(dá)到匹配條件即負(fù)載等于溫差發(fā)電片內(nèi)阻的時(shí)候，輸出功率才能達(dá)到最大值，可由式(3)表示:

式中，RL為負(fù)載電阻，r為溫差發(fā)電片內(nèi)阻，U為熱電勢(shì)。

表2 變負(fù)載時(shí)不同溫差下輸出功率

3.3 不同散熱方式時(shí)輸出功率

由表3可以看出，在熱端溫度TH=80℃，負(fù)載電阻RL=4 Ω時(shí)，3種散熱方式下各時(shí)刻輸出功率值基本穩(wěn)定，其中水冷散熱時(shí)輸出功率最大，約為0.682 W，風(fēng)扇散熱次之，約為0.639 W。自然風(fēng)冷輸出功率最小，約為0.581 W。由此可見，在相同情況下，選擇合理的散熱方式，可以提高發(fā)電模塊的輸出功率。

通過式(2)可知，U在溫差不變的條件下也是一個(gè)定值，故當(dāng)RL/(RL+r)2最大時(shí)，輸出功率達(dá)到最大值。根據(jù)不等式當(dāng)RL=r時(shí)，輸出功率達(dá)到最大值，且最大值

表3 TH=80℃，RL=4 Ω時(shí)不同散熱方式［6］下輸出功率

3.4 塞貝克系數(shù)計(jì)算

由式(1)知:

其中ΔV為電壓差，ΔT為溫差，αAB為A、B的塞貝克系數(shù)。以表1數(shù)據(jù)計(jì)算A、B的塞貝克系數(shù)并繪圖如圖6所示。

圖6 塞貝克系數(shù)曲線

4 結(jié)論

通過該儀器對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:在一定范圍內(nèi)輸出功率隨溫差增大而增大;匹配電阻為2 Ω時(shí)輸出功率最大;相同條件下分別采用自然風(fēng)冷、風(fēng)扇散熱和水冷散熱3種散熱方式，輸出電壓依次變大;不同溫差下，同一種材料的塞貝克系數(shù)也會(huì)發(fā)生一定的變化，但總體波動(dòng)不大。

［1］ 高敏，張景韶，DMR［英］.溫差電轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1996:226-230.

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陳國(guó)慶(1984- )，男，漢族，陜西韓城人，碩士研究生，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制、儀器儀表研制，cgqbj@163.com;

寧 鐸(1955- )，男，漢族，陜西禮泉人，教授、碩導(dǎo)，研究方向?yàn)橹悄軆x器儀表研制、太陽(yáng)能聚光器應(yīng)用研究。

Development of Semiconductor Thermoelectric Generator Experiment Device

CHEN Guoqing1，NING Duo1*，LIANG Dongping2，WEN Ting1

(1.College of Electrical and Information Engineering，Shanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China; 2.Shanxi Longmen Iron＆Steel(Group)Co.，Ltd，Hancheng Shanxi 715400，China)

In order to test the performance of thermoelectric module，according to the semiconductor thermoelectric power generation principle，a semiconductor thermoelectric power generation unit was designed.The apparatus mainly consists of the power generation module，temperature control system and a display circuit.It takes STC89C52RC single-chip microcomputer as a control core，and can be set within a certain range temperature difference for generating electric power，and without manual measurements output voltage value and current value of the corresponding temperature difference power generation module can be displayed in real time，not only qualitatively but also quantitatively test the output characteristic of thermoelectric generation module，to draw the correlation curve，and analyze the influence of output characteristics.The results show that the instrument has the advantages of simple operation，high sensitivity and resposibility fast.

thermoelectric generation;seebeck effect;temperature control;signal acquisition;real-time display

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.023

TP273

A

1005－9490(2014)02－0275－04

2013-06-26修改日期:2013-07-09

EEACC:8460