利用熱電效應(yīng)制作火警報(bào)警器

熊 娟，高貽鈞, 阮 濤

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

伴隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，火災(zāi)隱患越來(lái)越嚴(yán)重，重特大火災(zāi)發(fā)生的概率也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，提前預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生至關(guān)重要。常見的火警探測(cè)器有接觸燃燒式氣體傳感器、離子感煙火災(zāi)探測(cè)器、半導(dǎo)體氣體傳感器、光電感煙火災(zāi)探測(cè)器、電化學(xué)式氣體傳感器等[1-3]。這些火警報(bào)警器大多是基于火災(zāi)發(fā)生后產(chǎn)生的大量濃煙、氣體和火焰光等被探測(cè)到而報(bào)警。也有基于溫度傳感器的火災(zāi)報(bào)警器，但大多需要電池或外部電源，在斷電的情況下容易引起誤報(bào)[4-6]。因此，設(shè)計(jì)一款無(wú)須外接電源、能夠提前報(bào)警和減少誤報(bào)率的火警報(bào)警器是非常必要的。溫差發(fā)電技術(shù)是利用溫度差將熱能轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)，其核心是 N 型和 P 型的熱電轉(zhuǎn)換材料。利用熱電轉(zhuǎn)換材料組成的熱電器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具備無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、軍用電池、汽車尾氣處理、人體發(fā)電等領(lǐng)域具備重要的意義[7-12]。

1 實(shí)驗(yàn)原理

熱電效應(yīng)，是指當(dāng)受熱物體中的電子，因隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。當(dāng)半導(dǎo)體內(nèi)部溫度相同時(shí)，內(nèi)部電子處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)半導(dǎo)體兩端存在溫度差的時(shí)候，熱端電子運(yùn)動(dòng)活躍并向冷端移動(dòng)從而產(chǎn)生電勢(shì)差及電流。例如p型半導(dǎo)體，由于其熱端空穴的濃度較高，則空穴便從高溫端向低溫端擴(kuò)散；在開路情況下，就在p型半導(dǎo)體的兩端形成空間電荷(熱端有負(fù)電荷，冷端有正電荷)，同時(shí)在半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)；當(dāng)擴(kuò)散作用與電場(chǎng)的漂移作用相互抵消時(shí)，即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在半導(dǎo)體的兩端就出現(xiàn)了溫差電動(dòng)勢(shì)?；跓犭娦?yīng)原理，利用溫差產(chǎn)生電勢(shì)差，進(jìn)而對(duì)外供電。本實(shí)驗(yàn)裝置利用6片SP1848-27145型溫差發(fā)電片串聯(lián)，在其熱端放置熱源，在其冷端放置散熱片，進(jìn)而使熱端和冷端之間因產(chǎn)生溫差而形成電勢(shì)差。再利用dc-dc lm2596型穩(wěn)壓模塊穩(wěn)定輸出5V電壓，對(duì)報(bào)警裝置提供電能。

2 裝置設(shè)計(jì)過(guò)程及技術(shù)性分析

火警報(bào)警器裝置包括三個(gè)部分：直流電產(chǎn)生模塊、穩(wěn)壓電路和報(bào)警電路，如圖1所示。

圖1 報(bào)警器設(shè)計(jì)模塊

直流電產(chǎn)生模塊主要利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊產(chǎn)生直流電能。半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的冷、熱面有溫度差,溫差發(fā)電模塊兩端就產(chǎn)生電壓差。將6片SP1848-27145型溫差發(fā)電片串聯(lián)，足以滿足整個(gè)裝置的需要。由于溫度差難以固定,半導(dǎo)體溫差模塊產(chǎn)生的壓差不穩(wěn)定,為此,先對(duì)電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理,然后用穩(wěn)定的電壓給報(bào)警電路提供電能。下面具體分析各個(gè)模塊的工作原理和過(guò)程。

2.1 直流電產(chǎn)生模塊

直流電的產(chǎn)生主要是利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊將熱能轉(zhuǎn)換成電能。將兩種半導(dǎo)體結(jié)合,并使之一端處于高溫狀態(tài)，一端開路并且處于低溫狀態(tài),則在冷端會(huì)產(chǎn)生開路電壓，稱為Seeback電動(dòng)勢(shì)[9]。Seeback電動(dòng)勢(shì)與冷熱兩端溫度差成正比，用下式表示：

其中αs是Seeback系數(shù)，由材料本身的電子能帶結(jié)構(gòu)決定。半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊就是利用這個(gè)原理制作而成。一個(gè)pn結(jié)所能產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)有限,將很多個(gè)這樣的pn結(jié)串聯(lián)起來(lái)就可得到足夠的電壓?；谏鲜鲈碇瞥傻臏夭畎l(fā)電片參數(shù)如表1所示:

表1 溫差發(fā)電片參數(shù)

當(dāng)發(fā)電片外接用電器時(shí)，由于內(nèi)阻作用，負(fù)載電壓會(huì)有所下降，實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)單片溫差發(fā)電片對(duì)蜂鳴器和LED燈同時(shí)供電的時(shí)，測(cè)得負(fù)載電壓與溫差的關(guān)系如圖2所示：

圖2 溫差發(fā)電片負(fù)載電壓與溫差關(guān)系

由于單片溫差發(fā)電片的電壓太低，實(shí)驗(yàn)用六塊溫差發(fā)電片串聯(lián)使用。半導(dǎo)體溫差發(fā)電的冷端下加裝有散熱片，有利于加快起散熱進(jìn)而提高溫差增大發(fā)熱效率。散熱片與冷端之間涂有導(dǎo)熱硅膠，可以把接觸面的空氣排走,讓模塊表面與散熱片充分接觸，提高導(dǎo)熱效率。采用熱水用作熱源，在40 ℃下測(cè)試多個(gè)溫差發(fā)電片串聯(lián)時(shí)，電壓、電流及輸出功率的關(guān)系，結(jié)果如表2所示。

表2 溫差發(fā)電片串聯(lián)電路參數(shù)

2.2 穩(wěn)壓模塊

根據(jù)Seeback效應(yīng),半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊兩邊的溫差不穩(wěn)定,輸出電壓也會(huì)不穩(wěn)定，在充電系統(tǒng)中需一個(gè)穩(wěn)壓電路。本系統(tǒng)的電路主要采用常見的DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器。圖3所示是DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器原理框圖。

圖3 DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器原理框圖

DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器輸出電壓Vout=(1+R1/R2) *Vref,其中Vref為DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部自帶的基準(zhǔn)電壓或者用戶外接的基準(zhǔn)電壓，R1、R2構(gòu)成輸出電壓采樣電路，用于設(shè)置輸出電壓的大小。當(dāng)輸出電壓Vout因負(fù)載變化而變化時(shí)，反饋電壓Vf也隨著變化，DC/DC穩(wěn)壓器內(nèi)部的控制電路根據(jù)反饋電壓Vf(采樣電壓)與Vref差值的大小來(lái)適當(dāng)調(diào)整功率變換電路的控制參數(shù)，使輸出電壓穩(wěn)定在5 V，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

2.3 報(bào)警裝置模塊

報(bào)警電路由 LED 燈與短型蜂鳴器串聯(lián)組成。當(dāng)蜂鳴器鳴叫時(shí)，該支路負(fù)載變大，導(dǎo)致經(jīng)過(guò) LED燈的電流變小，此時(shí) LED 燈變暗。同樣，當(dāng)蜂鳴器非處于鳴叫狀態(tài)時(shí)負(fù)載較小，LED燈支路電流增大，LED燈變得更亮。于是當(dāng)蜂鳴器周期鳴叫時(shí)，LED 燈也周期性變亮變暗。

2.4 實(shí)驗(yàn)裝置與現(xiàn)象

當(dāng)給溫差發(fā)電模塊加上熱源，溫差發(fā)電片熱端溫度會(huì)迅速上升，此時(shí)溫差發(fā)電片兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)穩(wěn)壓模塊工作后供給報(bào)警電路使用。接著LED燈迅速發(fā)出耀眼的白光，同時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出間斷刺耳的報(bào)警聲響。當(dāng)蜂鳴器鳴叫時(shí)LED燈燈光便弱，蜂鳴器暫停鳴叫時(shí)LED燈燈光變強(qiáng)。LED燈與蜂鳴器報(bào)警兩者周期性進(jìn)行工作，達(dá)到報(bào)警的目的。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置

3 結(jié) 語(yǔ)

本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)。本裝置對(duì)熱反應(yīng)靈敏，報(bào)警器可同時(shí)產(chǎn)生尖銳的報(bào)鳴聲和強(qiáng)烈的燈光，二者交替出現(xiàn)，警示作用強(qiáng)。相比于普通的煙霧報(bào)警器，本裝置無(wú)須外接電源，電能完全由熱能產(chǎn)生，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。溫感起電后周期性產(chǎn)生聲、光信號(hào)，預(yù)警作用強(qiáng)，同時(shí)燈光可供火災(zāi)緊急照明。同時(shí)，煙霧報(bào)警器會(huì)因?yàn)閺N房油煙，吸煙等引起較多誤報(bào)，本裝置不會(huì)產(chǎn)生此類誤報(bào)情況。