智能半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

劉興娣+++王+雪+++范倫禹+++張玉立

摘 要：文章利用溫差發(fā)電技術(shù)，通過溫差采集和能量轉(zhuǎn)化，將溫差信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并且進(jìn)行電能的穩(wěn)定輸出和儲(chǔ)存，進(jìn)而設(shè)計(jì)一個(gè)成本低廉、性能可靠、使用方便的多功能溫差綠色電源。該電源不僅攜帶方便，可以適應(yīng)多種場合使用，而且由于其電能產(chǎn)生的特殊性，還可以在一些特定的環(huán)境中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能半導(dǎo)體；溫差發(fā)電裝置；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

引言

電力是各領(lǐng)域運(yùn)行以及各電子產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)所需的重要能源，就目前的情況看，火力發(fā)電屬于主要發(fā)電方法，會(huì)造成一定的能源浪費(fèi)。智能半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)，能夠有效解決上述問題，對(duì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的落實(shí)具有重要價(jià)值，同時(shí)也是發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主要方向。

1 智能半導(dǎo)體溫差發(fā)電原理

多功能綠色溫差電源是利用溫差產(chǎn)生電能的新型便攜式綠色能源發(fā)電裝置。它分為吸熱、吸冷兩面，當(dāng)有溫差產(chǎn)生時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)電能的輸出。它可獨(dú)立使用，也可嵌入有溫差的產(chǎn)品上，同時(shí)還能推廣應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域，如道路交通指示系統(tǒng)，夜景工程，廣告裝潢等。

2 智能半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)

2.1 智能半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置功能

（1）溫度采集。溫度采集是智能半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的主要功能之一，同時(shí)也是發(fā)電功能實(shí)現(xiàn)的第一步。裝置的吸熱與吸冷兩面，可分別吸收不同的溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的采集。采集后的溫度，可被自動(dòng)計(jì)算出溫差，并顯示出來。

（2）能量轉(zhuǎn)換。能量轉(zhuǎn)換是智能半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置實(shí)現(xiàn)發(fā)電的第二步。在采集并計(jì)算出溫差之后，裝置能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為電能，進(jìn)而使其能夠供我們?nèi)粘Ｊ褂谩?/p>

（3）電能傳輸。溫差所轉(zhuǎn)換成的電能，能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸，以為使用者對(duì)能量的應(yīng)用提供途徑。電能傳輸過程是將裝置與使用者相連接的關(guān)鍵，一旦傳輸出現(xiàn)問題，溫差所轉(zhuǎn)換的電能則無法被利用。

（4）儲(chǔ)存電能。為避免無法立即被利用的電力被浪費(fèi)，該裝置還能夠?qū)崿F(xiàn)儲(chǔ)存電能的功能。如溫差所產(chǎn)生的電能在使用過后存在剩余，可以被存儲(chǔ)在裝置之中，在使用者需要時(shí)，可以隨時(shí)加以使用，極大的提高了便利性。

（5）外觀。智能半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置具有體積小巧的特點(diǎn)，因此攜帶較為方便，為使用者帶來了極大的便利性，可將其隨意應(yīng)用到各個(gè)場合。上述特點(diǎn)也擴(kuò)大的改設(shè)備的應(yīng)用范圍。

2.2 裝置構(gòu)成

智能半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置主要由以下模塊構(gòu)成：（1）PTC陶瓷加熱模塊。（2）半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊。（3）水冷散熱模塊。（4）單片機(jī)溫差控制模塊。（5）數(shù)據(jù)采集模塊。

不同模塊功能不同。PTC陶瓷加熱模塊的功能在于實(shí)現(xiàn)加熱，以增加裝置的溫度，實(shí)現(xiàn)吸熱。水冷散熱模塊的功能在于完成散熱過程，實(shí)現(xiàn)吸冷。數(shù)據(jù)采集模塊的功能在于對(duì)最高溫度與最低溫度進(jìn)行測量，進(jìn)而計(jì)算出兩者之間的差值并將其顯示。單片機(jī)溫差控制模塊的功能在于對(duì)溫差進(jìn)行控制，避免超過裝置所能承受的極限值，確保發(fā)電過程能夠順利實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的功能在于真正實(shí)現(xiàn)發(fā)電，以供使用。

2.3 裝置溫度控制流程

裝置溫度控制工作流程從初始化開始：

（1）裝置開始工作，完成初始化。

（2）設(shè)定溫度上限，繼電器常閉。

（3）開啟加熱器，并檢測熱端溫度。

（4）溫差控制，判斷當(dāng)前溫差是否大于熱端所能承受的最大溫度。

（5）如當(dāng)前溫度大于熱端所能承受的最大溫度，則指示燈熄滅，加熱裝置斷開。

（6）如當(dāng)前溫度小于熱端所能承受的最大溫度，則加熱器工作。

2.4 設(shè)計(jì)效果

為判斷該裝置性能，采用實(shí)驗(yàn)的方法，分別在20℃、40℃等溫差下，對(duì)其開路輸出特性與不同負(fù)載下的輸出特性進(jìn)行了分析，結(jié)果如下：

2.4.1 開路輸出特性

通過對(duì)該裝置開路輸出特性的分析發(fā)現(xiàn)，在不同溫差下，裝置的輸出特性也有所不同：在溫差為20℃的情況下，開路電壓為8.67v，短路電流為0.29A，功率為2.5144W。在溫差為40℃的情況下，開路電壓為13v，短路電流為0.39A，功率為5.07W。在溫差為60℃的情況下，開路電壓為16v，短路電流為0.45A，功率為7.2W。在溫差為80℃的情況下，開路電壓為16.9v，短路電流為0.48A，功率為8.112W。在溫差為100℃的情況下，開路電壓為17.3v，短路電流為0.48A，功率為8.304W。在溫差為120℃的情況下，開路電壓為18.1v，短路電流為0.48A，功率為8.688W。

觀察上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：隨著溫差的不斷增加，裝置的開路電壓與功率也一直在增加，兩者與溫差的變化情況呈正比。對(duì)于裝置的短路電流而言，在溫差在20℃—80℃之間時(shí)，其數(shù)值一直呈增加的趨勢，但在80℃（包括80℃）其數(shù)值再無增長，一直保持在0.48A的標(biāo)準(zhǔn)。

2.4.2 不同負(fù)載下的輸出特性

通過對(duì)不同負(fù)載下的輸出特性的觀察發(fā)現(xiàn)：隨著溫差的不斷增加，裝置的輸出功率一直不斷增大，兩者呈正比，在溫差達(dá)到60℃時(shí)，負(fù)載從1Ω增加到2.2Ω，此時(shí)裝置的輸出功率從0.173W增加到了0.471W，基本達(dá)到了最大值。在裝置的溫差達(dá)到60℃以上之后，裝置的輸出功率雖仍呈增加趨勢，但增加程度較小，變化趨勢較小。通過對(duì)不同負(fù)載下裝置輸出特性的分析發(fā)現(xiàn)，在電阻達(dá)到4.7Ω的時(shí)候，該裝置的輸出特性達(dá)到最佳狀態(tài)。

3 智能半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的應(yīng)用

智能半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置可以用于交通指示系統(tǒng)、夜景工程、廣告裝潢等多領(lǐng)域當(dāng)中。以交通指示系統(tǒng)為例，為確保交通的順暢，避免發(fā)生交通事故，需保證夜間行車駕駛者能夠清楚的看見交通指示系統(tǒng)，因此必須保證系統(tǒng)常亮。如以傳統(tǒng)電力作為主要電力資源供應(yīng)，會(huì)造成極大的能源浪費(fèi)，與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求相違背。采用智能半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置，作為其電力能源來源，可以達(dá)到有效節(jié)約傳統(tǒng)電力資源的目的，不僅能夠維持交通的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)能夠達(dá)到節(jié)約能源的目的，是綠色發(fā)電裝置的主要代表，同時(shí)也是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略下發(fā)電裝置發(fā)展的主要方向。除此之外，還可將該裝置應(yīng)用到夜景工程和廣告裝潢之中，以使龐大的夜景工程能夠?qū)崿F(xiàn)綠色電力供應(yīng)，使廣告裝潢能夠節(jié)約更多的電力資源。

需要注意的是，在上述裝置設(shè)計(jì)完成之后，為確保其性能能夠正常發(fā)揮，有必要采用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)裝置的輸出特性等進(jìn)行分析，以避免裝置在應(yīng)用過程中出現(xiàn)故障。與此同時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)裝置的維護(hù)，以提高其使用性能，延長其使用壽命，使其能夠?yàn)樯鐣?huì)的發(fā)展帶來更大的價(jià)值。

4 結(jié)束語

綜上，智能半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置可應(yīng)用于交通指示系統(tǒng)、夜景工程以及廣告裝潢等領(lǐng)域，該裝置可將冷熱溫差轉(zhuǎn)換為電能，通過輸出，使電能被使用，具有較高的環(huán)保價(jià)值，從長遠(yuǎn)的角度看，應(yīng)將改裝置擴(kuò)大的使用，以使綠色發(fā)電能夠更好的實(shí)現(xiàn)，為社會(huì)以及國家的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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