基于LTC3108的能量收集系統(tǒng)的應(yīng)用研究

屈永，劉玉偉

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

基于LTC3108的能量收集系統(tǒng)的應(yīng)用研究

屈永，劉玉偉

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

摘要：溫差發(fā)電技術(shù)是一種無(wú)污染，無(wú)噪聲，應(yīng)用范圍廣的新型能量收集技術(shù)。用特殊材料制成溫差發(fā)電片。溫差發(fā)電片冷熱端溫度不同，就會(huì)產(chǎn)生電壓，從而使熱能轉(zhuǎn)換為電能。利用LTC3108直流升壓電路，將溫差發(fā)電片轉(zhuǎn)換來(lái)的低電壓升高，就可以供低功耗設(shè)備工作。由于溫差的變化或者設(shè)備間歇工作等原因，轉(zhuǎn)換所得的電量可能會(huì)過(guò)剩或者不足。為解決上述問(wèn)題，系統(tǒng)采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件。在電量多余的情況下，將電量?jī)?chǔ)存在超級(jí)電容里；在電量不足的情況下，將超級(jí)電容所存電量釋放出來(lái)，供設(shè)備使用。

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電；LTC3108；低功耗設(shè)備；超級(jí)電容

Applied Research of Energy Collection System Based on LTC3108

QU Yong,LIU Yuwei

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:Thermal power generation technology is a kind of new energy harvesting technology with no pollution, no noise, and wide application. Thermoelectric conversion module is made of special materials. When the temperature of both sides of the thermoelectric conversion module is different, it would form voltage. Thus, thermal energy changes into electrical energy. LTC3108 DC booster circuit is used to boost the low voltage transformed by thermoelectric conversion module. And the boosted voltage can be supplied for low power consumption devices. Because the temperature difference between the two sides of thermoelectric conversion module is changed or the device operation is intermittent, the electrical energy might be surplus or lack. In order to solve this problem, this paper uses the super capacitors as energy storage elements. When the electricity is surplus, the rest of the electricity is stored into the super capacitors. And, when the electricity is lack, the stored energy is released to equipments.

Keywords:thermal power generation technology; LTC3108; low power consumption devices; super capacitors

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，很多微型系統(tǒng)，如無(wú)線傳感器、微功率工業(yè)檢測(cè)和控制器、微小信息及通訊裝置在民用與軍事上正在或?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用。由于這些微型系統(tǒng)往往分布在廣闊區(qū)域、長(zhǎng)期工作，故需要能長(zhǎng)期供電的微小能源。有線供電方式不可行，傳統(tǒng)的電池由于能量有限，需要頻繁充電或更換(既費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢，有時(shí)還難以實(shí)現(xiàn))，故已不能滿足這些微型系統(tǒng)的能源需求。因此，如何利用能量收集技術(shù)，從周圍自然環(huán)境中的風(fēng)、光、溫度、振動(dòng)等相對(duì)來(lái)說(shuō)無(wú)窮盡的來(lái)源中獲取能量，并轉(zhuǎn)化為微型系統(tǒng)可以使用的電能，正成為研究的熱點(diǎn)。

溫差發(fā)電技術(shù)是一種無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、長(zhǎng)壽命的能量收集方式，有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。文中針對(duì)目前許多測(cè)量?jī)x表微功耗的特點(diǎn)，以熱能計(jì)量?jī)x表為應(yīng)用對(duì)象，研究設(shè)計(jì)了一種基于熱電轉(zhuǎn)換原理的溫差發(fā)電微功率電源，用來(lái)為儀表提供持久電力。實(shí)驗(yàn)證明，該方法切實(shí)有效、可行。

1電源系統(tǒng)的工作原理和組成

兩種不同材料組成的閉合回路，當(dāng)其兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，這就是熱電效應(yīng)。將若干個(gè)上述回路串聯(lián)起來(lái)，就可以制成能夠得到數(shù)十毫伏開(kāi)路輸出電壓的溫差發(fā)電元件。熱能計(jì)量?jī)x表安裝于供熱管道上，管道內(nèi)供熱流體溫度至少比環(huán)境溫度高幾十度，故可以使用溫差發(fā)電元件將流體熱能轉(zhuǎn)換為電能。

由于熱電轉(zhuǎn)換后得到的電壓很低，需采用升壓技術(shù)將微弱的直流電壓升高到可以供設(shè)備使用的電壓(DC/DC升壓)。另一方面，熱能計(jì)量?jī)x表是以間歇方式工作的，全速工作時(shí)耗電大，間歇時(shí)耗電極微，而溫差發(fā)電元件功率有限，且受溫差發(fā)電材料受熱面與散熱面溫差大小的影響。因此，需要考慮配置儲(chǔ)能元件，將熱電轉(zhuǎn)換得到的電能在富余時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)，在熱能表全速工作時(shí)釋放出來(lái)，以滿足設(shè)備需要。

文中研究設(shè)計(jì)的微功率熱電轉(zhuǎn)換電源組成如圖1所示，主要包括溫差發(fā)電，升壓電路，電能儲(chǔ)存等幾個(gè)部分。

圖1　微功率熱電轉(zhuǎn)換電源組成框圖

2電路設(shè)計(jì)

2.1溫差發(fā)電片

半導(dǎo)體材料可以產(chǎn)生較高的熱電勢(shì)，用半導(dǎo)體材料制成溫差發(fā)電元件已商品化，市場(chǎng)上有售?，F(xiàn)選用的溫差發(fā)電片型號(hào)為TEC112706、尺寸為40mm×40mm×4mm。安裝方式如圖2所示。溫差發(fā)電片熱端涂有導(dǎo)熱硅膠與供熱管道殼體接觸，以增強(qiáng)導(dǎo)熱性；冷端則裝有鋁制散熱片，加強(qiáng)散熱，以期盡量增大熱端與冷端間的溫差。

實(shí)驗(yàn)中以可調(diào)溫度的循環(huán)熱水為熱源，以熱源和環(huán)境的溫度差作為變量，研究溫差發(fā)電片開(kāi)路電壓與此溫度差的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，開(kāi)路電壓與此溫度差的關(guān)系近似線性。在熱源和環(huán)境的溫度差為10℃時(shí)，開(kāi)路電壓約為61mV；溫度差為70℃時(shí)，開(kāi)路電壓約可達(dá)到385mV。

在熱源溫度和環(huán)境溫度不變的情況下，改善散熱條件可使溫差發(fā)電片兩側(cè)的溫差增大，有利于提高溫差發(fā)電片輸出開(kāi)路電壓。

圖2　溫差發(fā)電片安裝示意圖

2.2DC/DC升壓電路

溫差發(fā)電片只能獲得數(shù)十到上百mV的微弱直流電壓，必須使其升壓以滿足儀表用電要求。要將直流電壓升壓，需先用振蕩電路將其轉(zhuǎn)換為交流電，再經(jīng)變壓器升壓、整流，才能獲得高的直流電壓。若采用一般元件來(lái)構(gòu)建升壓電路，升壓電路本身的功耗將耗盡溫差發(fā)電片的電力，故必須采用特殊電路。

文中選用超低電壓型升壓轉(zhuǎn)換和電源管理器—LTC3108 (linear technology corporation，最低輸入電壓為20 mV)，配合型號(hào)為L(zhǎng)PR6235-752SML、貼片封裝、匝數(shù)比為1∶100的升壓變壓器，將溫差發(fā)電片輸出電壓升高。圖3是升壓電路。

圖3　DC/DC升壓電路

圖3中左端為溫差發(fā)電片，其微弱電壓經(jīng)電容Cin、升壓變壓器T的初級(jí)線圈進(jìn)入LTC3108的SW端口，經(jīng)內(nèi)部開(kāi)關(guān)產(chǎn)生自諧振蕩信號(hào)，將直流電壓變?yōu)榻涣麟妷?，再?jīng)升壓變壓器T升壓。升壓后，電流經(jīng)電容C3進(jìn)入內(nèi)部整流器和充電泵充電。當(dāng)VAUX端電壓超過(guò)2.5 V時(shí)，Vout端口將產(chǎn)生最大4.88 V的電壓輸出，給外部設(shè)備供電。當(dāng)供電能量超過(guò)輸出量時(shí)，Vstore 端口會(huì)產(chǎn)生最大5.25 V電壓給Cstore充電，從而將多余的電量?jī)?chǔ)存。當(dāng)供電量過(guò)低時(shí)，Cstore儲(chǔ)存的電量就可以通過(guò)Vstore端口給電路供電。

該電路只要輸入電壓>20mV，就可以正常升壓，而溫差發(fā)電片很容易滿足這個(gè)條件。

2.3電能的儲(chǔ)存

用溫差發(fā)電片進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的電力瞬時(shí)功率有限，可能不能滿足儀表短時(shí)全速工作的電能需求。但其可長(zhǎng)期工作發(fā)電，在儀表休眠時(shí)電能有富余，應(yīng)將這部分電能儲(chǔ)存起來(lái)備用。

用充電電池來(lái)儲(chǔ)能，因充電電路復(fù)雜、要求高，也不經(jīng)濟(jì)，故不可取?，F(xiàn)采用一種新型儲(chǔ)能元件—超級(jí)電容來(lái)儲(chǔ)能。超級(jí)電容依靠雙電層及氧化還原假電容電荷來(lái)儲(chǔ)存電能，充電電路極簡(jiǎn)單、充電速度非常快，能量轉(zhuǎn)換效率高、功率密度大、放電能力極強(qiáng)，無(wú)“記憶效應(yīng)”，壽命長(zhǎng)，深度充放電循環(huán)可達(dá)數(shù)十萬(wàn)次，使用非常方便且無(wú)需維護(hù)。對(duì)溫差發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，超級(jí)電容是非常理想的儲(chǔ)能元件。

文中選用日本松下公司生產(chǎn)的H型超級(jí)電容，額定電壓5.5 V，容量1.5 F。超級(jí)電容直接接在圖3中芯片LTC3108的Vstore端口，無(wú)需額外的充電電路，充電非常簡(jiǎn)單。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1溫差發(fā)電片熱電轉(zhuǎn)換能力

圖4是在室溫20℃時(shí)，溫差發(fā)電片加圖2所示鋁制散熱片情況下，熱源溫度和發(fā)電片開(kāi)路電壓的關(guān)系。從圖4中可以看到，溫差發(fā)電片開(kāi)路電壓隨熱源與環(huán)境溫度溫差的增大而增大，二者近似成線性關(guān)系。在熱源與環(huán)境溫差很小時(shí)，開(kāi)路電壓就可達(dá)到20mV，很容易滿足升壓轉(zhuǎn)換和電源管理器LTC3108的輸入電壓要求；溫差70℃時(shí)，開(kāi)路電壓可達(dá)385mV。

圖4　室溫20 ℃時(shí)，溫度和電壓的關(guān)系

3.2電源帶載能力試驗(yàn)

在圖3所示的升壓電路Vout端接入不同直流電阻以模擬電源負(fù)載。

考慮到目前很多微功耗智能儀表采用了MSP430系列微功耗單片機(jī)作為核心，而MSP430額定電壓范圍為1.8 V～3.6 V，典型工作電壓為3.3 V。故作電源帶載能力試驗(yàn)時(shí)，以3.3 V為判定依據(jù)，升壓電路Vout端電壓達(dá)到此電壓即認(rèn)為可滿足儀表正常工作用電需求。

圖5為不同負(fù)載時(shí)，電源Vout端口電壓大小隨熱源與環(huán)境溫差變化情況。從圖5中可以看到，在40 kΩ、20 kΩ、10 kΩ負(fù)載情況下，Vout端口電壓達(dá)到3.3 V所需溫差分別為：22 ℃、28 ℃和53 ℃。此三種情況下電源的輸出電流分別為：82.5A、165A和330A。鑒于以MSP430為核心的微功耗設(shè)備的平均工作電流通常在幾百A以下。因此，此電源完全可以滿足此類低功耗設(shè)備的工作需要。

4結(jié)語(yǔ)

研究了利用溫差發(fā)電技術(shù)將熱能轉(zhuǎn)換為電能，為微功耗儀表提供持久電力的方法。并設(shè)計(jì)基于LTC3108，實(shí)現(xiàn)DC/DC升壓、用超級(jí)電容儲(chǔ)能的微功率實(shí)用電源電路。所做實(shí)驗(yàn)證明，該電源能夠?yàn)榈凸膬x表設(shè)備提供足夠的電力，尤其適合于在供熱計(jì)量系統(tǒng)中應(yīng)用。

文中所采用的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)，對(duì)將其他形式的能量收集并轉(zhuǎn)化為微型系統(tǒng)可以使用的電能也具有參考價(jià)值。

圖5　不同負(fù)載時(shí)，電源輸出電壓與溫差關(guān)系

參考文獻(xiàn):

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收稿日期：2014-12-25

中圖分類號(hào)：TM61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-5276(2015)04-0184-02

作者簡(jiǎn)介：屈永(1985-)，男，河南商丘人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與控制。