基于塞貝克效應(yīng)的燃?xì)庠铍娫醋猿潆娧b置設(shè)計(jì)

李金嫻，張 昂

(福州大學(xué)，福建福州 350108)

目前，市面上多數(shù)燃?xì)庠畈捎秒娒}沖式點(diǎn)火[1]，使用時(shí)通過旋轉(zhuǎn)按鈕就可以連續(xù)噴出電火花，直至點(diǎn)燃。同時(shí)，為了安全，在燃?xì)庠钪性O(shè)計(jì)了熄火保護(hù)裝置[2]，當(dāng)意外熄火情況時(shí)可以通過控制電磁閥來自動(dòng)關(guān)閉氣源，燃?xì)庠顑?nèi)的電池就是為點(diǎn)火裝置和熄火保護(hù)裝置提供電能的。因耗電量較大，使用者須在一定時(shí)間內(nèi)更換電池，更換周期為2 個(gè)月到1 年不等，需額外購買電池造成使用不便，廢舊電池處理還存在環(huán)保問題，同時(shí)，電池盒通常位于燃?xì)庠顑?nèi)部，更換不便。針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種燃?xì)庠铍娫醋猿潆娧b置，該裝置基于塞貝克效應(yīng)[3-4]，利用溫差發(fā)電片[5]將燃?xì)庠钍褂脮r(shí)所產(chǎn)生的溢散廢熱轉(zhuǎn)換成電能，為燃?xì)庠顑?nèi)部鋰電池自動(dòng)充電，不需要更換干電池，使用方便。

1 總體設(shè)計(jì)

以半導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)換理論的貝塞克效應(yīng)為基礎(chǔ)，通過熱電流為鋰電池充電，達(dá)到熱電轉(zhuǎn)換效果。總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由溫差發(fā)電模塊、DC-DC 升壓模塊、充電保護(hù)模塊、鋰電池、輸出電路和外部構(gòu)件組成，其中，溫差發(fā)電模塊由溫差發(fā)電片及附著于熱源端的吸熱片和附著于冷源端的散熱片組成。具體工作流程為：在溫差發(fā)電片的熱冷源面安裝散熱器，使有字面的冷端安裝大散熱器并靠近冷源用于散熱，無字端的熱面安裝較小散熱器靠近熱源用于吸收燃?xì)庠顮t盤產(chǎn)生的熱量；當(dāng)兩端有了一定溫差后，溫差發(fā)電片會(huì)產(chǎn)生一定的電壓和電流；由于燃?xì)庠钍褂脮r(shí)，熱量不穩(wěn)定，所以溫差發(fā)電片受熱不恒定，發(fā)電片所產(chǎn)生的電壓亦不恒定；鋰電池需恒壓充電，因此在溫差發(fā)電片的輸出端接入DC-DC 模塊，對溫差發(fā)電片輸出的電壓進(jìn)行升壓和穩(wěn)壓[6]，使其輸出穩(wěn)定的電壓送入充電保護(hù)電路，經(jīng)充電保護(hù)電路按鋰電池的充電特性分階段充電，保護(hù)電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，延長電池的使用壽命。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 溫差發(fā)電模塊

溫差發(fā)電片根據(jù)塞貝克效應(yīng)原理加工制造而成。在其兩面安裝散熱片擴(kuò)大受熱和散熱面積，達(dá)到均勻受熱和散熱，并更快產(chǎn)生溫差，提升系統(tǒng)效率。一旦有溫差，發(fā)電片內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生電流，將電流輸入進(jìn)DC-DC 模塊以升壓穩(wěn)流，使之達(dá)到鋰電池的充電要求。溫差發(fā)電片輸出開路電壓V與兩材料之間的溫差(T2-T1)成正比[7]，受溫度影響較小時(shí)，由式(1)表示：

式中：SA和SB分別為發(fā)電片熱冷兩端材料自身的塞貝克系數(shù)；T2和T1分別為熱端和冷端溫度。

溫差發(fā)電片主要由許多P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體所組成的PN 結(jié)構(gòu)成，構(gòu)成一個(gè)溫差發(fā)電片需要3～127 對PN 結(jié)，當(dāng)這些PN 結(jié)受熱后可在冷端產(chǎn)生電動(dòng)勢，其主要結(jié)構(gòu)如圖2 所示。所使用的溫差發(fā)電片型號(hào)為TEC1-12708，最大溫差61 ℃以上，最大工作電流8 A，-55～83 ℃為該模塊最理想的制冷工作溫度，其發(fā)電參數(shù)如表1 所示。廚房工作環(huán)境溫度一般在25 ℃左右，天然氣著火點(diǎn)為270 ℃，其火焰溫度可高達(dá)1 400 ℃。按國家規(guī)范[8]，燃?xì)庠蠲姘鍦厣怀^105 ℃，所以，燃?xì)庠蠲姘鍦囟葹?05～130 ℃，平常使用時(shí)燃?xì)庠蠲姘蹇拷鼱t盤溫度約在30～100 ℃。所選TEC1-12708 型溫差發(fā)電片滿足工作溫度的需求。

圖2 溫差發(fā)電片結(jié)構(gòu)示意圖

表1 TEC1-12708 發(fā)電片參數(shù)

市售的燃?xì)庠畲蠖鄶?shù)使用2 節(jié)1 號(hào)電池供電，燃?xì)庠顑?nèi)部電路的工作電壓約為3 V。本文使用1 節(jié)18650 鋰電池來替換兩節(jié)1 號(hào)電池，充電電流最小不能低于200 mA。經(jīng)測試，燃?xì)庠铧c(diǎn)火時(shí)最大電流為346 mA，正常工作時(shí)電流為35.2 mA。所選TEC1-12708 溫差發(fā)電片能夠提供電池所需的充電電流。

2.2 DC-DC 模塊

燃?xì)庠铋_始工作時(shí)，溫差發(fā)電片受溫度影響電壓不穩(wěn)定，無法達(dá)到該電池的充電要求，所以需要先將溫差發(fā)電模塊的輸出端引入到DC-DC 調(diào)壓穩(wěn)壓模塊。本系統(tǒng)使用SX1308 芯片作為DC-DC 電流模式升壓轉(zhuǎn)換器[9]，該模式轉(zhuǎn)換器電路圖如圖3 所示，輸入電壓范圍為2～24 V，開關(guān)工作頻率為1.2 MHz，最高輸出電壓支持到28 V，最大輸出電流2 A。

圖3 DC-DC 升壓模塊原理圖

通過調(diào)整反饋分壓電阻R1、R2確定反饋電壓，本電路設(shè)置反饋電壓值為0.6 V，則R1為73.2 kΩ，R2為10 kΩ，可變電阻R1選擇3296w 系列的103 電位器，調(diào)節(jié)R1可確定輸出電壓Vout的值，初定為5 V。

電感L值由式(2)確定：

式中：γ為紋波系數(shù)，確定了紋波電流的值，通常會(huì)被定為最大負(fù)載值的0.1～0.3 倍，也就是說紋波系數(shù)γ值為0.1～0.3，本電路選擇開關(guān)頻率FSW為1.2 MHz 固定值，則電感量L取值為4.7 μH。

輸出電容C2的選擇見式(3)，其中，該DC-DC 模塊的輸出紋波電流ΔiL是關(guān)于電容的容抗和等效串聯(lián)阻抗(ESR)的函數(shù)。

式中：D為紋波占空比，可通過Vout-Vin的差值與Vin之比估算得出。在1.2 MHz開關(guān)頻率下，選用低導(dǎo)通電阻的快速恢復(fù)肖特基二極管D1，輸出電容C2選擇容量為220 μF的鉭電解電容器。

2.3 充電保護(hù)電路

鋰電池在過充后壽命被大大削減，這種影響是永久性的，若繼續(xù)充電，鋰金屬會(huì)在負(fù)極表面堆積，致使正負(fù)極短路[6]，所以，對鋰電池充電時(shí)的保護(hù)措施是必要的。鋰電池充電保護(hù)模塊如圖4 所示。TP4056 芯片是專為一節(jié)鋰離子電池而設(shè)計(jì)的線性充電的電路[10]，芯片內(nèi)部功率管對電池進(jìn)行恒流和恒壓充電。

圖4 充電保護(hù)電路原理圖

圖3 的輸出電壓Vout輸入到圖4 集成電路4 腳的VIN端，經(jīng)開關(guān)二極管D1作為電路工作電源的正輸入端VCC，2 腳ISET外接下拉式電阻可對充電電流進(jìn)行設(shè)置，具體參數(shù)設(shè)置由該集成芯片手冊可查得，本電路R1取值為1.2 kΩ 電流模式，該引腳典型電壓為1.0 V，5 腳的BAT 端典型充電電流為1.0 A。芯片使能端8 腳接電源VCC 端高電平有效。6 腳充電完成指示端輸出低電平有效，當(dāng)充電完成時(shí)，通過外接R2(1 kΩ)由內(nèi)部開關(guān)接地，LED2點(diǎn)亮，表示充電結(jié)束。7 腳漏極開路輸出低電平有效，當(dāng)充電時(shí)通過外接R3(1 kΩ)由內(nèi)部開關(guān)接地，LED1點(diǎn)亮，表示充電狀態(tài)。通常使用的兩節(jié)1 號(hào)電池電壓是3 V，選用的充電鋰電池為3.7 V，在充滿電的情況下，鋰電池電壓達(dá)到4.2 V，所以為了燃?xì)庠畹陌踩褂?，要在圖4 輸出端串接二極管D2。

3 安裝調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

安裝的溫差發(fā)電模塊主要由溫差發(fā)電片與散熱裝置組成，如圖5 所示。溫差發(fā)電片的紅色導(dǎo)線為正極輸出線，黑色導(dǎo)線為負(fù)極輸出線，其有字面為冷端面，另一面為熱端面，發(fā)電片實(shí)物如圖5(a)所示。考慮到溫差發(fā)電片在工作時(shí)對溫度和溫差的要求以及在實(shí)際使用時(shí)的空間要求，采用導(dǎo)熱硅脂加鋁制格柵散熱片作為該模塊的散熱裝置，散熱片尺寸為105 mm×85 mm×35 mm，散熱器實(shí)物安裝圖如圖5(b)所示。發(fā)電片與散熱片均勻涂抹硅脂并充分接觸，將該裝置安裝在燃?xì)庠蠲姘蹇拷鼱t盤處。

圖5 溫差發(fā)電模塊實(shí)物圖

安裝時(shí)，將溫差發(fā)電模塊的輸出端與圖3 的Vin連接，圖3的Vout與圖4 的VIN連接，圖4 的輸出端BAT+端接鋰電池正極，各模塊負(fù)極依次相連。在溫差發(fā)電片熱面放置溫度測量探頭檢測熱面溫度，將萬用表接至發(fā)電輸出處觀察產(chǎn)生的電壓，系統(tǒng)安裝調(diào)試圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)安裝調(diào)試圖

3.2 測試數(shù)據(jù)

使用電子溫度計(jì)測試燃?xì)庠罟ぷ鲿r(shí)面板上表面(系統(tǒng)熱端吸熱片安裝位置)溫度。使用測溫槍測試燃?xì)庠畹撞扛浇讱どw板(系統(tǒng)冷端散熱片安裝位置)溫度。取冷端兩個(gè)測試點(diǎn)分別為D1、D2，熱端兩個(gè)測試點(diǎn)為H1、H2，在不同檔位、不同時(shí)間測試?yán)錈岫藴囟?。各檔位加熱時(shí)長60 s 的測試數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 加熱60 s 測試數(shù)據(jù) ℃

為方便測試并準(zhǔn)確模擬燃?xì)庠顚?shí)際使用時(shí)的情況，測試時(shí)選擇使用熱風(fēng)槍來模擬燃?xì)庠畹母邷丨h(huán)境。用熱風(fēng)槍給熱面加熱，將散熱片冷面置于冷水中加快散熱，用電子測溫計(jì)測熱面溫度，萬用表測發(fā)電片產(chǎn)生的電壓，測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 發(fā)電片產(chǎn)生電壓

隨著熱面溫度升高，溫差逐漸變大，半導(dǎo)體制冷片產(chǎn)生的電壓越來越高。當(dāng)溫差約為47.4 ℃時(shí)，產(chǎn)生1.78 V 的電壓，此時(shí)充電模塊紅燈亮起，電池開始充電，經(jīng)DC-DC 升壓模塊后，充電模塊輸入電壓為5 V。當(dāng)電池充電至4.07 V 時(shí)，充電電流約為7.88 mA。

3.3 數(shù)據(jù)分析

選用的18650 鋰電池的容量為2 000 mAh，在測試時(shí)，溫差發(fā)電模塊兩端的溫差大約為60 ℃，此時(shí)該充電裝置中的充電電流約為500 mA，充電電壓可以達(dá)到4.2 V。根據(jù)電池容量，電池充滿最多需要4 h。

測試燃?xì)庠钜淮未蚧饡r(shí)間約為0.5 s，總電流約為82.8 mA，開銷功率約為248.4 mW，即做功0.124 2 J。按照本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，中值溫差50 ℃時(shí)充電電流7.9 mA，即約8 s 熱電轉(zhuǎn)換充電滿足一次打火開銷?？紤]到電池自放電等額外電能損耗后，該設(shè)計(jì)仍能充分保證日常正常使用燃?xì)庠钏桦娔荛_銷。

4 結(jié)論

該裝置將燃?xì)庠钍褂脮r(shí)的廢熱轉(zhuǎn)化為電能，給鋰電池充電，相較于傳統(tǒng)的燃?xì)庠?，避免了使用時(shí)因沒電使得電磁閥無法開啟和無法打火的現(xiàn)象，降低了使用時(shí)火焰被意外熄滅后電磁閥無法及時(shí)關(guān)閉所帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。采用DC-DC 升壓模塊對溫差發(fā)片輸出功率進(jìn)行匹配，用充電保護(hù)電路對發(fā)電效率進(jìn)行嘗試驗(yàn)證，采用模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，探索了半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在低品位能源利用方面的新途徑。