便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)性能研究

郗艷華，楊 晨，王 彤

（咸陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，陜西咸陽 712000）

0 引言

人們在進(jìn)行野外探險(xiǎn)、科考等工作時(shí)，經(jīng)常會遇到用電設(shè)備電能耗盡的情況，如果現(xiàn)場沒有現(xiàn)成電源，這給工作者帶來極大不便。利用野外太陽能作為能源，采用光伏發(fā)電技術(shù)［1-2］產(chǎn)生電能是解決此問題方法之一。但這種設(shè)備在陰雨天和夜晚等特殊環(huán)境下常常無法正常使用。因此人們利用野外存在大量可燃燒物的特點(diǎn)，基于溫差發(fā)電原理，通過將其燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能來為野外用戶提供電源。這種溫差發(fā)電技術(shù)［3-4］因不受時(shí)間、空間影響，且具有高效、綠色、環(huán)保，便于攜帶等而成為人們研究熱點(diǎn)。本文基于溫差發(fā)電原理設(shè)計(jì)了一種利用野外可燃燒物質(zhì)的便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)，并對其在開路、帶負(fù)載、接升壓穩(wěn)壓電路及負(fù)載等性能進(jìn)行測試。該裝置在野外無電時(shí)可作為應(yīng)急電源使用，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊、升壓穩(wěn)壓電路模塊、充電保護(hù)模塊和負(fù)載組成，如圖1 所示。溫差發(fā)電模塊將可燃燒物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)升壓穩(wěn)壓電路后，為小功率照明設(shè)備使用；也可通過充電保護(hù)電路為具有鋰電池電源的設(shè)備充電。利用野外燃燒物燃燒產(chǎn)生的熱能，通過半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。由于此種情況下產(chǎn)生熱能不穩(wěn)定，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)換的電能也不穩(wěn)定，因此需要采用升壓穩(wěn)壓電路來穩(wěn)定輸出電壓，以保證用電設(shè)備正常工作。當(dāng)控制開關(guān)接通負(fù)載時(shí)，其可作為小功率照明設(shè)備使用；但由于溫差發(fā)電具有一定的條件性，因此有些情況下需要將溫差發(fā)電模塊產(chǎn)生的電能存儲起來，以便在無溫差條件下為電子設(shè)備提供電源。同時(shí)為了防止充電過程中過放電或過充電對電池造成永久性破壞，選用保護(hù)電路來控制對電池的充放電，此時(shí)其作為充電設(shè)備使用的。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫差發(fā)電模塊

2.1.1 塞貝克效應(yīng)

將兩種不同導(dǎo)體材料a和b（P型和N型）一端連接在一起并處于高溫狀態(tài)；另一端斷開處于低溫狀態(tài)，在斷開的兩個節(jié)點(diǎn)間會產(chǎn)生電動勢，該現(xiàn)象叫做塞貝克效應(yīng)［5-7］。設(shè)高溫狀態(tài)溫度為Th，低溫狀態(tài)溫度為Tc，閉合回路中產(chǎn)生電動勢為Eab，可表示為

2.1.2 溫差發(fā)電原理

P型和N型半導(dǎo)體利用金屬材料（如銅）連接起來，形成一個PN 結(jié)，稱作溫差發(fā)電單元，也稱為溫差電偶。將該溫差發(fā)電單元置于溫差環(huán)境中，高溫端P型半導(dǎo)體材料中空穴會向低溫端擴(kuò)散，使其低溫端帶正電，高溫端帶負(fù)電；而N 型半導(dǎo)體材料高溫端的自由電子會向低溫端遷移，使其低溫端帶負(fù)電，高溫端帶正電。同時(shí)，在導(dǎo)體中高、低溫端會建立起一個靜電場，一方面阻止自由電子從高溫向低溫運(yùn)動；另一方面使反向的自由電子加速到低溫端。達(dá)到平衡時(shí)，半導(dǎo)體兩端就會形成一定大小的電動勢［8］。若將負(fù)載接入則形成閉合回路，就產(chǎn)生電流。這樣高溫端輸入的熱能就通過半導(dǎo)體材料高低溫端間的溫差轉(zhuǎn)化成電能。實(shí)際應(yīng)用中，可將多個溫差發(fā)電單元通過串聯(lián)或并聯(lián)組合在一塊產(chǎn)生足夠高的電壓和電流。如圖2 所示為由多個溫差發(fā)電片和負(fù)載電阻RL組成電路，負(fù)載電阻上產(chǎn)生的輸出電壓為

圖2 半導(dǎo)體溫差發(fā)電單元結(jié)構(gòu)

式中，r為溫差發(fā)電片內(nèi)阻。則其輸出電流Io、輸出功率Po分別為：

其最大輸出功率為

半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的熱端從熱源吸收的熱量由傳導(dǎo)熱、焦耳熱以及珀?duì)栙N熱三部分組成，其中傳導(dǎo)熱為由溫差發(fā)電片的熱端傳遞到冷端的熱量，

式中，λ為熱導(dǎo)系數(shù)。

珀?duì)栙N熱為熱端帕爾帖吸收的熱量：半導(dǎo)體內(nèi)阻產(chǎn)生的熱，假設(shè)其一半流向熱端；另一半流向冷端，則焦耳熱為

所以溫差發(fā)電片從熱端吸收的熱量：

由式（3）、（8）可得溫差發(fā)電片的轉(zhuǎn)換效率為

本設(shè)計(jì)選用SP1848-27145 SA 溫差發(fā)電模塊［9］，它由126 對PN結(jié)串聯(lián)起來的元件，外形尺寸40 mm×40 mm，最高連續(xù)工作溫差可達(dá)到120 ℃。該溫差發(fā)電片熱端（無字的一面）采用導(dǎo)熱貼與長方形鋁制吸熱板黏貼在一起吸熱，冷端（有字的一面）用導(dǎo)熱硅膠與寶塔式鋁制散熱塊粘貼在一起來進(jìn)行散熱。測試時(shí)，將燃燒物放在長方形吸熱板下，將散熱塔放在水中進(jìn)行散熱。

2.2 升壓穩(wěn)壓電路模塊

由于半導(dǎo)體溫差片溫差不穩(wěn)定而產(chǎn)生的電動勢不穩(wěn)定，因此需要一個升壓穩(wěn)壓電路穩(wěn)定輸出電壓。本文選取效率可達(dá)93%的升壓穩(wěn)壓芯片MT3608 為穩(wěn)壓電路，其內(nèi)部功能包括欠壓鎖定、限流和熱過載保護(hù)，可防止輸出過載［10］，其電路如圖3 所示。輸入電壓范圍為2～24 V，最大輸出電流為2 A，輸出電壓范圍5～28 V可調(diào)，其大小由下式所示

圖3 升壓穩(wěn)壓電路

電阻R1和R2比例決定，本設(shè)計(jì)P3處連接1 kΩ可調(diào)電阻，使其輸出固定為5 V，其中UREF為0.6 V。

2.3 充電保護(hù)電路

2.3.1 充電電路

本設(shè)計(jì)選用容量高、壽命長、可多次充放電的鋰電池來存儲溫差發(fā)電片轉(zhuǎn)換的電能。一般鋰離子電池標(biāo)稱電壓3.7 V，其工作范圍2.75～4.2 V。當(dāng)電壓低于2.75 V時(shí)，電池停止給外界設(shè)備供電，需要給鋰電池充電；當(dāng)充電電壓達(dá)到電池的滿電壓4.2 V，需要自動停止充電以保護(hù)電池，保證其工作性能。其充電電路如圖4 所示，TC4056A 芯片［11］是采用恒定電流／恒定電壓模式工作，其輸入電壓范圍為-0.3～8 V，最大充電電流為1 A，滿充電壓為4.2 V。TC4056A利用內(nèi)部的MOSFET結(jié)構(gòu)對鋰電池進(jìn)行充電管理。引腳1 為溫度檢測端，外接熱敏電阻與電池相連，此引腳能夠檢測到溫度的變化，調(diào)整芯片的工作狀態(tài)；引腳2 經(jīng)過電阻R2接地。充電電流大小：

圖4 鋰電池充電電路

引腳4 為輸入端，此電壓為內(nèi)部電路工作電源；引腳5直接與電池的正極相連接；引腳6 為電池充電完成指示端；引腳7 為充電狀態(tài)指示端；引腳8 為芯片使能端。當(dāng)向電池充電時(shí)，引腳7 為低電平，二極管D2發(fā)光；當(dāng)電池充電完成時(shí)，引腳6 的電壓被內(nèi)部開關(guān)拉到低電平，二極管D3發(fā)光。

2.3.2 保護(hù)電路

鋰電池在實(shí)際使用中會出現(xiàn)過充、過放、過流及短路等情況，因此本文采用DW01FA 芯片［13］和8205A芯片［14］組成鋰電池保護(hù)電路。其電路如圖5 所示：DW01FA芯片內(nèi)部具有電壓檢測、基準(zhǔn)、延遲和短路保護(hù)電路，負(fù)責(zé)檢測鋰電池電壓和放電電流。8205A 芯片內(nèi)部由2 個N溝道增強(qiáng)型MOS 管（MOS 管的柵極和源極間有寄生二極管）組成，控制電路充放電。電阻R1和電容C1構(gòu)成低通濾波電路，用來濾除干擾信號。R2為限流電阻，用來控制充電電流大小。

圖5 鋰電池保護(hù)電路

電路正常工作時(shí)，鋰電池兩極相當(dāng)于直接與負(fù)載連接，既可以對電池充電，也可以通過負(fù)載讓電池進(jìn)行放電。當(dāng)鋰電池充電電壓升高到臨界值上限4.3 V時(shí)，DW01FA芯片引腳3 輸出低電平，8205A芯片內(nèi)部MOS管Q2截止，雖然鋰電池停止充電，但其將通過MOS管Q2內(nèi)部二極管放電，使其電壓逐漸下降；當(dāng)其低于充電臨界值時(shí)，DW01FA芯片退出過充電狀態(tài)，引腳3 恢復(fù)高電平，電池恢復(fù)正常狀態(tài)。當(dāng)鋰電池放電電壓低于其臨界值下限2.75 V時(shí)，DW01FA芯片引腳1 輸出低電平，MOS 管Q1截止，鋰電池與負(fù)載斷開。但其可通過8205A芯片內(nèi)部二極管進(jìn)行充電，鋰電池電壓逐漸上升。當(dāng)其大于放電臨界值時(shí)，DW01FA 芯片引腳1 恢復(fù)為高電平，電路恢復(fù)正常狀態(tài)［15］。

2.4 負(fù)載模塊

負(fù)載模塊由6 顆3528 型LED 貼片燈珠和200 Ω限流電阻組成。每個LED燈珠工作電壓2～2.4 V，工作電流為15～20 mA，最大功率為40 mW。

3 實(shí)驗(yàn)測試

3.1 性能測試

實(shí)驗(yàn)中采用卡達(dá)850 型熱風(fēng)槍作為熱源，設(shè)置該熱風(fēng)槍的出風(fēng)量為5.5 L／min，溫度為400 ℃，在水槽中加水，將溫差發(fā)電模塊冷端用導(dǎo)熱膠與散熱塔黏貼，并將其放入水槽中散熱，用導(dǎo)熱膠將其熱端與50 mm×100 mm ×2 mm 鋁板粘貼連接，利用熱風(fēng)槍從鋁板下方加熱。用熱電偶溫度計(jì)在溫差發(fā)電模塊的熱端和冷端分別測試其溫度，用數(shù)字電壓表測試其輸出電壓。

3.1.1 溫差發(fā)電模塊開路性能測試

在室溫20 ℃時(shí)，得到溫差發(fā)電模塊開路輸出電壓、溫差模塊上下表面溫度隨時(shí)間變化以及輸出電壓和溫差變化的情況如圖6 所示。由圖6（a）可以看出，溫差發(fā)電模塊的輸出電壓隨加熱時(shí)間成線性增加，在t＝100 s時(shí)，輸出電壓達(dá)到1.6 V之后其增加變緩，在t＝150 s后開始減??；圖6（b）中上表面（加熱面）溫度在t＝100 s后溫度隨加熱時(shí)間變緩，而其下表面（未加熱表面）溫度隨加熱時(shí)間成線性增加，因此使其溫差在t＝100 s后增加變緩。分析原因：加熱一段時(shí)間后，其上表面由于熱源熱量有限使得上面溫度增加變緩，而下表面因溫差半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)性使其溫度增加，因此溫差發(fā)電模塊的溫差增加幅度在t＝100 s 逐漸減緩。由圖6（c）可看出，溫差發(fā)電模塊的輸出電壓隨溫差線性增加，在溫差為49 ℃時(shí)達(dá)到峰值，隨后其輸出電壓會出現(xiàn)下降。其主要原因是由于冷熱端的溫差減小導(dǎo)致，該現(xiàn)象驗(yàn)證了溫差發(fā)電片的貝塞克效應(yīng)，即式（1）。因此，要保證輸出電壓穩(wěn)定，則要使溫差穩(wěn)定。解決的辦法：一方面保證加熱端熱源有足夠的熱量，或者采取措施使下表面溫度降低。目前大多數(shù)應(yīng)用后者來采取措施。由圖6（c）可看出，溫差發(fā)電模塊的溫差每變化1 ℃，其輸出電壓可增加0.05 V 左右，即該溫差發(fā)電模塊的塞貝克系數(shù)α ＝0.05。

圖6 溫差發(fā)電模塊開路性能

3.1.2 溫差發(fā)電模塊帶負(fù)載后性能測試

圖7 為在溫差發(fā)電模塊的輸出端接負(fù)載RL＝2 Ω后測試結(jié)果。由圖7（a）（b）可以看出帶負(fù)載后溫差發(fā)電模塊輸出電壓減小，但其上下表面溫度隨時(shí)間變化與性能測試開路時(shí)相似。由圖6（c）和圖7（c）比較后可以看出，在相同溫差下，帶負(fù)載后其輸出電壓減小，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了式（3）。同時(shí)利用其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠計(jì)算出該溫差發(fā)電模塊的內(nèi)阻。如：以兩圖中溫差為30 ℃為例，圖6（c）中其開路時(shí)輸出電壓E＝1.4 V，圖7（c）中帶負(fù)載電壓Uo＝0.54 V，將該數(shù)據(jù)代入式（3），可得到該溫差發(fā)電模塊內(nèi)阻為3.2 Ω。經(jīng)過查找該類型溫差發(fā)電模塊手冊，其內(nèi)阻為3.3 Ω，其相對誤差為3%。將上述數(shù)據(jù)代入式（4），得到其輸出功率為0.166 W，由圖7（c）估測其輸出功率約為0.15 W，得到其相對誤差為10.6%。

圖7 帶負(fù)載溫差發(fā)電模塊性能

3.1.3 帶穩(wěn)壓器后輸出電壓性能測試

由上述性能測試可見，溫差發(fā)電模塊的輸出電壓隨溫度變化比較快，因此需要接入穩(wěn)壓器件來穩(wěn)定輸出電壓。圖8 為連接穩(wěn)壓器的測試結(jié)果。在圖8（a）中，當(dāng)溫差發(fā)電模塊輸出電壓達(dá)到1.6 V后，穩(wěn)壓器可將其在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)壓到5 V。圖8（b）中溫差發(fā)電模塊輸出電壓、上下表面溫度都隨加熱時(shí)間線性增加，在輸出電壓達(dá)到1.6 V 后，其上表面溫度增加變緩。圖8（c）為輸出電壓在溫差為27 ℃后被穩(wěn)壓到5 V。

圖8 帶穩(wěn)壓器輸出性能

3.1.4 穩(wěn)壓器帶負(fù)載后性能測試

在穩(wěn)壓器連接LED負(fù)載后，分別測量溫差發(fā)電模塊輸出電壓和上下表面溫度在加熱過程中隨時(shí)間變化的曲線如圖9 所示。由圖9 可見，溫差發(fā)電模塊輸出電壓、上下表面溫度、溫差及穩(wěn)壓芯片MT3608 輸出電壓都隨時(shí)間逐漸線性增加，在輸出電壓達(dá)到1.6 V后，其輸出電壓增加變緩，同時(shí)其LED輸出象相似。將圖6（c）和圖9（c）進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，溫差發(fā)電模塊在開路和穩(wěn)壓器等情況下其輸出電壓和電壓增加到2.5 V并保持不變。實(shí)驗(yàn)過程的現(xiàn)象：在溫差發(fā)電模塊輸出電壓達(dá)到1.6 V后二極管開始發(fā)出微弱的光，隨后其亮度急劇增加，并當(dāng)繼續(xù)加熱時(shí)其亮度保持不變。圖9（c）為溫差發(fā)電模塊輸出電壓隨溫差變化趨勢，其變化趨勢與（1）（2）測試性能相似，說明其輸出電壓只和其上下表面溫差有關(guān)系，該關(guān)系驗(yàn)證了塞貝克效應(yīng)。其與圖7（c）相比只是輸出電壓大小減小而變化趨勢相似，這主要是由于溫差發(fā)電模塊內(nèi)阻分壓導(dǎo)致。

圖9 穩(wěn)壓器帶負(fù)載后輸出性能測試

3.2 溫差發(fā)電模塊轉(zhuǎn)換效率分析

溫差發(fā)電模塊的轉(zhuǎn)換效率是指其輸出功率與溫差發(fā)電模塊從高溫?zé)嵩次諢崃康谋戎?。按?.1 節(jié)分析，當(dāng)溫差發(fā)電模塊接負(fù)載電阻RL＝2 Ω 時(shí)，以溫差為30 ℃（此時(shí)熱面溫度為50 ℃）進(jìn)行其轉(zhuǎn)換效率理論分析，由4.1 節(jié)得到溫差發(fā)電模塊的塞貝克系數(shù)α＝0.05，內(nèi)阻r＝3.2 Ω，假設(shè)其導(dǎo)熱系數(shù)λ ＝1.3，將所有數(shù)據(jù)代入式（10），得到其能量轉(zhuǎn)換效率率約為4.2%。由于溫差發(fā)電模塊從高溫?zé)嵩次諢崃縌h在實(shí)際中比較難測試，本文在計(jì)算其實(shí)際轉(zhuǎn)換效率時(shí)仍用上述理論計(jì)算的數(shù)據(jù)，而輸出功率利用實(shí)際測試的數(shù)據(jù)，得到其轉(zhuǎn)換效率約為3.5%。由于溫差發(fā)電模塊從高溫?zé)嵩次諢崃恳壤碚摱嗪芏啵瑫r(shí)再考慮穩(wěn)壓器和充電保護(hù)電路中能量的損耗，實(shí)際中其熱電轉(zhuǎn)換效率要低很多。如果再考慮熱風(fēng)槍等熱源能量在加熱過程中會有大量的損失，因此實(shí)際溫差發(fā)電模塊的熱電轉(zhuǎn)換效率會更低。但作為在野外無電的特殊情況下，該裝置作為應(yīng)急電源具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3.3 作為充電設(shè)備測試

將開關(guān)K接通充電時(shí)，溫差發(fā)電模塊輸出電壓通過充電保護(hù)電路對鋰電池充電，此時(shí)充電顯示二極管D1發(fā)光，當(dāng)充電后輸出電壓為4.2 V，充電充滿顯示二極管D2發(fā)光，可實(shí)現(xiàn)對鋰電池保護(hù)。選18650鋰電池作為充電電池，對于電壓為2.7 V的鋰電池，需要135 min充到4.2 V。另外，當(dāng)外界不具有溫差發(fā)電模塊工作條件時(shí)，該充電電池可作為能源為負(fù)載供電。

4 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)測試便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)中溫差發(fā)電模塊在開路、接穩(wěn)壓器及其負(fù)載等情況下，其輸出電壓分別隨時(shí)間和溫差變化特點(diǎn)，驗(yàn)證了溫差發(fā)電模塊的塞貝克效應(yīng)，對其轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了測試和分析，并測試其作為充電設(shè)備時(shí)充電性能。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、無噪音、便于攜帶、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，該裝置在高寒、邊遠(yuǎn)山區(qū)或野外等無供電情況下，可將燃燒物燃燒的熱能轉(zhuǎn)化為電能為其他用電設(shè)備提供電源，能解決使用者的燃眉之急，其在實(shí)際生活中具有一定應(yīng)用價(jià)值。