半導體溫差發電技術在溫室林木幼苗撫育中的應用

賈鶴鳴，李敬源，楊 明，溥濤野，王 冠

(東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

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半導體溫差發電技術在溫室林木幼苗撫育中的應用

賈鶴鳴，李敬源，楊 明，溥濤野，王 冠

(東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

針對北方地區冬季溫室內外存在較大溫差的情況，將半導體溫差發電技術引入溫室林木育苗中，利用溫差產生的電能補充溫室照明或輔助電能儲備，為實現林業現代化和綠色林業發展提供了技術參考。該文對所設計的半導體溫差發電器的輸出電壓、輸出功率與冷熱端溫差關聯進行探索，采用高性能的隔熱材料以及冷卻循環降溫措施模擬室內外溫差并使得溫差始終保持較高數值，根據塞貝克原理，發電模塊實現熱能到電能的轉換利用，并開發合適高效的DC-DC升壓電路和鋰電池充電管理電路，組建成了一個小型的發電儲能裝置。

溫差發電；塞貝克效應；輸出功率；穩壓模塊

目前社會和科技的發展致使能源消耗日益加劇，可利用的環境資源越來越少。這對開發新的能源技術有了更高的要求，如何做到人與自然的和諧發展是當前迫在眉睫的事情[1-4]。半導體溫差發電裝置技術的產生為解決能源危機提供了新的方向，它具有環保綠色、循環利用、安全可靠、經濟效益好等優點，所以發展前景極為廣闊[5]。近年來，熱電技術迎來飛速發展，溫差發電技術又是熱電領域最有代表性的一個分支。該技術具有環保、無噪聲、工作安全可靠等一系列優點，因而其應用可涉及軍事與航天、汽車尾氣發電、工業余熱發電、生活余熱發電等諸多領域[6]。

目前，環境問題凸顯，已經對人們的日常生活和工業生產產生巨大的影響，森林資源保護和發展顯得更加重要。林業幼苗撫育是林業發展的基礎，幼苗撫育質量直接關系到未來林木的質量和林地的生產力。因此，對溫室林木幼苗撫育的研究具有很強的現實意義。如何將先進的自動化技術應用于溫室育苗中也就成為了重要的研究課題。針對北方地區冬季溫室內外存在較大溫差的情況，將半導體溫差發電技術引入溫室林木育苗中，利用溫差產生的電能補充溫室照明或輔助電能儲備，為實現林業現代化和綠色林業發展提供了技術參考?？紤]熱電材料自身因素和環境因素的影響，大多數溫差發電裝置的熱轉化效率很低，因此在設計中為了提高效率，將多組溫差發電片連接，另外采用高性能保溫材料和可控風扇冷卻模擬室內外溫差并使得溫差保持在一個相對理想的數值下使能量利用率進一步提高。

1 發電裝置的基本構成及原理

1.1 直流電產生模塊 該文設計的發電裝置系統框架如圖1所示，主要涵蓋以下幾部分：發電部分、穩壓電路以及充電管理部分。其中溫差發電部分由多片半導體發電片、熱端以及冷水循環散熱3個部分構成，在實際試驗操作中，僅需要給該部分提供一定的溫度差異，則該發電部分的兩端將產生電壓差，從而為可充電設備提供電能。但是另一方面由于溫差的不穩定會導致產生的電壓不穩定，無法給充電設備提供正常的供電電壓，因而必須對產生的電壓進行穩壓處理，然后方可利用穩定的電壓。穩壓電路要達到的功能是將不穩定的直流電能轉換成穩定可利用的直流電能。充電管理部分的目的是對設備進行充電管理。

直流電的產生主要是運用TEG1-241-2.0-1.2型半導體溫差發電片將熱能轉換為直流電能。根據熱電效應，將2種不同特性的半導體物理結合，同時使一端置于高溫環境，另一端處于低溫環境，這樣在溫度低的一端就會產生電動勢，經大量試驗表明，所產生的電動勢與冷熱表面溫度差異的關系有以下正比關系，即：

ΔU=ΔT×α

(1)

其中ΔU為產生的電動勢，ΔT為冷熱環境的溫差，α為塞貝克系數，其單位是 V/K 或 μV/K，塞貝克系數是由材料本身的結構所決定。工作方式如圖2所示。

1.2 穩壓電路 由于存在熱端溫度的不穩定以及冷端散熱處理不及時，發電片兩端的溫度都會出現一定范圍的波動，因而輸出電壓不穩定。為此設計一個有效的電路方案用來解決輸出直流不穩定的問題。

穩壓電路設計分析：①半導體發電部分產生不穩定直流電壓1.2～4.8 V；②目前大多數待充設備的供電電壓為5 V；③穩壓電路需要較高安全性能。綜上所述，該研究決定使用LM317芯片，LM317輸出可以連續調節，應用極為廣泛。它具有許多顯著特性：①輸出電壓調節范圍1.25～37.00 V，輸出電流達1.5 A；②典型線性調整率僅0.01%，典型負載調整率僅0.1%，80 dB紋波抑制比，比其他穩壓器性能優良；③針對電路可能出現的安全問題，設計了短路保護、過熱過載保護和安全工作區保護等，保障整體電路穩定高效的使用；④芯片能在溫室溫度和濕度范圍內穩定工作。

穩壓電路圖如圖3所示。查閱官方提供的數據手冊，可以得到調節輸出電壓的方法。假定標稱參考電壓(Vref)1.25 V，其經由電阻Radj-1轉換成編程電流，再通過Radj-2到GND。

輸出電壓Vout可以由如下公式給出：

(2)

根據充電管理部分的基本要求，合理搭配電位器Radj-1、Radj-2的阻值，就能獲得預期電壓。

1.3 充電管理電路 充電管理電路的設計選用鋰離子電池充電管理芯片TP4056，TP4056是一款恒壓、恒流的線性充電器，廣泛運用于移動電話、監視設備、各種充電儲能器件中。其擁有較強大的功能特性：①電池的溫度監控，能實現在無過熱情況下充電速率最大化的熱調節功能；②充電電壓精度高，能達±1%精度指標；③采用帶有散熱片的8引腳SOP封裝，預置的欠壓保護和自動再充電功能，較強環境適應能力，保證在溫室溫度和濕度范圍內芯片安全穩定的工作；④預設充電指示管腳，進行充電情況的監視。

輸入的電壓達到電源低電壓閾值，預充模式開始；當2.90 V

2 工作過程及性能測試

2.1 工作過程 該文所設計發電裝置外觀如圖5所示。在溫室應用中，可將裝置安裝于通風口、溫室外墻等位置。裝置工作的流程是，首先溫差片產生電動勢作為后續穩壓部分的電源輸入，當電壓達到穩壓電路的啟動電壓 2.0 V 時，通過穩壓電路整流，就可以為溫室補充照明或者輔助電能儲備；同時產生電能在單片機控制下驅動風扇，利用生成的部分電能給冷端散熱片進行降溫處理，風扇消耗的功率將隨著溫差進行變動?？刂扑枷胧钱敎夭罘秶谀苁箿夭畎l電片發電效率較高值時，風扇是以低轉速運行，減少功率的消耗；而當溫差小于設定的最低溫差20 ℃時，風扇將開啟全速運行模式，加快冷端溫度降低速度，保持較大的溫差，從而保證溫差發電組件的較高輸出功率。當熱端最高溫度高于溫差片的工作范圍時，單片機將控制數碼管顯示進行警告。此外冷熱端配置的溫度傳感器也能實時反映溫室溫度的變化，并和現階段幼苗生長需求溫度對比，進而確定溫室溫度的調節趨勢和方法。

2.2 性能測試與分析 在試驗過程中采用鋁殼式PTC加熱器作為熱源進行模擬，采用模塊化測試的方法，先對各個模塊進行測試然后進行整體測試。

在不同溫差、不同負載下對發電裝置的功率進行測試，得到功率效應曲線。由圖6可知，在負載相同，溫差20、60、100 ℃時功率變化呈現遞增趨勢，即隨溫差的增大，輸出功率呈現較大提升。

在溫室中進行整體性能測試，將裝置安裝于溫室通風口處，測得熱端溫度范圍為25～30 ℃，冷端溫度為-20 ℃左右，直流電產生模塊輸出2～5 V不穩定電壓，能產生2 W左右的輸出功率。輸出電壓經穩壓電路后，輸出穩定的5 V電壓供給照明設備、充電儲能設備和內部單片機。筆者進行了照明和充電儲能的測試，結果如下。

(1)照明測試：在2 h的測試過程中，產生電能持續維持2個0.5 WLED超亮節能燈泡提供溫室光照，且整個測試過程中溫差發電裝置一直保持良好的運行狀態，各個模塊均未出現問題，可見該裝置能很好地適應溫室環境。

(2)充電儲能測試：為直觀體現裝置發出的電能，以手機充電時間作為衡量，選用摩托羅拉V8手機進行充電儲能的測試，結果表明原版充電器充電時間為100 min，半導體充電裝置充電時間為104 min。

經過和原充電器充電時間進行比較可以得到，使用2種方式對手機進行充電，時間差別在±5%以內，屬于正常充電需求；充電過程中，充電設備沒有出現過熱的情況，并在充電完成時，充電完成提示指示燈進行提示充電完成。由上述試驗可以看出半導體溫差發電在溫室林木幼苗撫育中具有很好的運用前景，可以通過增加發電片的數量和做好保熱裝置的設計，有效提高供電的能量和效率，半導體發電應用于溫室溫差發電中是可行的，并且具有較好的工程應用前景。

3 結論

此次設計裝置的特點：該發電裝置能利用溫室林木幼苗撫育環境中熱能，在20～100 ℃的溫差下，能夠輸出電壓 2.0～4.6 V、 電流 0.5～1 A 的不穩定直流電源，能產生一整套供電解決方案，并結合單機片的運用，幫助調節合適的幼苗撫育溫度；另一方面該裝置的穩壓充電部分，可將發電裝置所產生的不穩定直流源轉換為5 V(±3%)的穩定直流電，可用于提供幼苗生長所需要的適度光照，并能進行溫室輔助充電儲備。在某些特定的場合，比如在溫室林木幼苗撫育中，以及野外、高寒偏遠山區等地方，這種溫差發電裝置的利用將會越來越廣泛。

[1] 高敏，張景韶，ROWE D M.溫差電轉換及其應用[M].北京：兵器工業出版社，1996：24-97.

[2] 黃澤銑.熱電偶原理及其檢定[M].北京：中國計量出版社，1993：4-9.

[3] 王洪輝，庹先國，余小平． 基于單芯片的鋰電池/組充電器設計[J]．能源技術，2009，33(2)：127-130.

[4] 劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導體物理學[M].北京：電子工業出版社，2008：350-365.

[5] 葉劍鋒.半導體溫差發電系統研究及電熱式試驗臺設計[D]．北京：北京交通大學，2012.

[6] ROWE D M.Thermoelectrical environmentally-friendly source of electrical power[J].Renewable Energy，1999，16：1251-1256.

Application of Semiconductor Thermoelectric Power Generation Technology in Forest Seedling and Tending in Greenhouse

JIA He-ming, LI Jing-yuan, YANG Ming et al

College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040)

For larger temperature difference in the winter of northern area, the semiconductor thermoelectric power generation technology can be introduced into the forest seedling in greenhouse, generated by the temperature difference power supplemental greenhouse lighting or auxiliary power reserve, provided technical reference for the realization of modernization of forestry and green forestry development. The relationship between output voltage/output power of the semiconductor thermoelectric module and the temperature difference between two sides of it was studied. High performance insulation material combining with the cooling circulation system are used to keep the temperature different. With Seebeck effect as the theoretical foundation and simulation of indoor and outdoor temperature difference, generate electricity by the semiconductor thermoelectric power generation modules, cooperated with the corresponding voltage regulator module and the charging module, suitable and efficient DC-DC boost circuit and a lithium battery charging management circuit can be built, then small charging device is produced.

Thermoelectric power generation; Seebeck effect; The output power; Voltage regulator module

中央高校基本科研業務費專項(2572014BB03)；東北林業大學大學生創新創業訓練計劃項目(201410225181)。

賈鶴鳴(1983- )，男，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士，碩士生導師，從事非線性系統分析與控制研究。

2015-04-23

S 753.51+9

A

0517-6611(2015)17-238-03