基于LTC3108的能量收集系統的應用研究

2016-01-29 03:52:06屈永劉玉偉

機械制造與自動化 2015年4期

屈永，劉玉偉

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094)

屈永，劉玉偉

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094)

摘要：溫差發電技術是一種無污染，無噪聲，應用范圍廣的新型能量收集技術。用特殊材料制成溫差發電片。溫差發電片冷熱端溫度不同，就會產生電壓，從而使熱能轉換為電能。利用LTC3108直流升壓電路，將溫差發電片轉換來的低電壓升高，就可以供低功耗設備工作。由于溫差的變化或者設備間歇工作等原因，轉換所得的電量可能會過?；蛘卟蛔?。為解決上述問題，系統采用超級電容作為儲能元件。在電量多余的情況下，將電量儲存在超級電容里；在電量不足的情況下，將超級電容所存電量釋放出來，供設備使用。

關鍵詞：溫差發電；LTC3108；低功耗設備；超級電容

Applied Research of Energy Collection System Based on LTC3108

QU Yong,LIU Yuwei

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:Thermal power generation technology is a kind of new energy harvesting technology with no pollution, no noise, and wide application. Thermoelectric conversion module is made of special materials. When the temperature of both sides of the thermoelectric conversion module is different, it would form voltage. Thus, thermal energy changes into electrical energy. LTC3108 DC booster circuit is used to boost the low voltage transformed by thermoelectric conversion module. And the boosted voltage can be supplied for low power consumption devices. Because the temperature difference between the two sides of thermoelectric conversion module is changed or the device operation is intermittent, the electrical energy might be surplus or lack. In order to solve this problem, this paper uses the super capacitors as energy storage elements. When the electricity is surplus, the rest of the electricity is stored into the super capacitors. And, when the electricity is lack, the stored energy is released to equipments.

Keywords:thermal power generation technology; LTC3108; low power consumption devices; super capacitors

0引言

隨著科學技術的迅速發展，很多微型系統，如無線傳感器、微功率工業檢測和控制器、微小信息及通訊裝置在民用與軍事上正在或將得到廣泛應用。由于這些微型系統往往分布在廣闊區域、長期工作，故需要能長期供電的微小能源。有線供電方式不可行，傳統的電池由于能量有限，需要頻繁充電或更換(既費時費力費錢，有時還難以實現)，故已不能滿足這些微型系統的能源需求。因此，如何利用能量收集技術，從周圍自然環境中的風、光、溫度、振動等相對來說無窮盡的來源中獲取能量，并轉化為微型系統可以使用的電能，正成為研究的熱點。

溫差發電技術是一種無污染、結構簡單、長壽命的能量收集方式，有廣闊的應用市場。文中針對目前許多測量儀表微功耗的特點，以熱能計量儀表為應用對象，研究設計了一種基于熱電轉換原理的溫差發電微功率電源，用來為儀表提供持久電力。實驗證明，該方法切實有效、可行。

1電源系統的工作原理和組成

兩種不同材料組成的閉合回路，當其兩個接點溫度不同時，回路中會產生熱電勢，這就是熱電效應。將若干個上述回路串聯起來，就可以制成能夠得到數十毫伏開路輸出電壓的溫差發電元件。熱能計量儀表安裝于供熱管道上，管道內供熱流體溫度至少比環境溫度高幾十度，故可以使用溫差發電元件將流體熱能轉換為電能。

由于熱電轉換后得到的電壓很低，需采用升壓技術將微弱的直流電壓升高到可以供設備使用的電壓(DC/DC升壓)。另一方面，熱能計量儀表是以間歇方式工作的，全速工作時耗電大，間歇時耗電極微，而溫差發電元件功率有限，且受溫差發電材料受熱面與散熱面溫差大小的影響。因此，需要考慮配置儲能元件，將熱電轉換得到的電能在富余時儲存起來，在熱能表全速工作時釋放出來，以滿足設備需要。

文中研究設計的微功率熱電轉換電源組成如圖1所示，主要包括溫差發電，升壓電路，電能儲存等幾個部分。

圖1　微功率熱電轉換電源組成框圖

2電路設計

2.1溫差發電片

半導體材料可以產生較高的熱電勢，用半導體材料制成溫差發電元件已商品化，市場上有售?，F選用的溫差發電片型號為TEC112706、尺寸為40mm×40mm×4mm。安裝方式如圖2所示。溫差發電片熱端涂有導熱硅膠與供熱管道殼體接觸，以增強導熱性；冷端則裝有鋁制散熱片，加強散熱，以期盡量增大熱端與冷端間的溫差。

實驗中以可調溫度的循環熱水為熱源，以熱源和環境的溫度差作為變量，研究溫差發電片開路電壓與此溫度差的關系。

實驗發現，開路電壓與此溫度差的關系近似線性。在熱源和環境的溫度差為10℃時，開路電壓約為61mV；溫度差為70℃時，開路電壓約可達到385mV。

在熱源溫度和環境溫度不變的情況下，改善散熱條件可使溫差發電片兩側的溫差增大，有利于提高溫差發電片輸出開路電壓。

圖2　溫差發電片安裝示意圖

2.2DC/DC升壓電路

溫差發電片只能獲得數十到上百mV的微弱直流電壓，必須使其升壓以滿足儀表用電要求。要將直流電壓升壓，需先用振蕩電路將其轉換為交流電，再經變壓器升壓、整流，才能獲得高的直流電壓。若采用一般元件來構建升壓電路，升壓電路本身的功耗將耗盡溫差發電片的電力，故必須采用特殊電路。

文中選用超低電壓型升壓轉換和電源管理器—LTC3108 (linear technology corporation，最低輸入電壓為20 mV)，配合型號為LPR6235-752SML、貼片封裝、匝數比為1∶100的升壓變壓器，將溫差發電片輸出電壓升高。圖3是升壓電路。

圖3　DC/DC升壓電路

圖3中左端為溫差發電片，其微弱電壓經電容Cin、升壓變壓器T的初級線圈進入LTC3108的SW端口，經內部開關產生自諧振蕩信號，將直流電壓變為交流電壓，再經升壓變壓器T升壓。升壓后，電流經電容C3進入內部整流器和充電泵充電。當VAUX端電壓超過2.5 V時，Vout端口將產生最大4.88 V的電壓輸出，給外部設備供電。當供電能量超過輸出量時，Vstore 端口會產生最大5.25 V電壓給Cstore充電，從而將多余的電量儲存。當供電量過低時，Cstore儲存的電量就可以通過Vstore端口給電路供電。

該電路只要輸入電壓>20mV，就可以正常升壓，而溫差發電片很容易滿足這個條件。

2.3電能的儲存

用溫差發電片進行熱電轉換時產生的電力瞬時功率有限，可能不能滿足儀表短時全速工作的電能需求。但其可長期工作發電，在儀表休眠時電能有富余，應將這部分電能儲存起來備用。

用充電電池來儲能，因充電電路復雜、要求高，也不經濟，故不可取。現采用一種新型儲能元件—超級電容來儲能。超級電容依靠雙電層及氧化還原假電容電荷來儲存電能，充電電路極簡單、充電速度非常快，能量轉換效率高、功率密度大、放電能力極強，無“記憶效應”，壽命長，深度充放電循環可達數十萬次，使用非常方便且無需維護。對溫差發電系統來說，超級電容是非常理想的儲能元件。

文中選用日本松下公司生產的H型超級電容，額定電壓5.5 V，容量1.5 F。超級電容直接接在圖3中芯片LTC3108的Vstore端口，無需額外的充電電路，充電非常簡單。

3實驗結果

3.1溫差發電片熱電轉換能力

圖4是在室溫20℃時，溫差發電片加圖2所示鋁制散熱片情況下，熱源溫度和發電片開路電壓的關系。從圖4中可以看到，溫差發電片開路電壓隨熱源與環境溫度溫差的增大而增大，二者近似成線性關系。在熱源與環境溫差很小時，開路電壓就可達到20mV，很容易滿足升壓轉換和電源管理器LTC3108的輸入電壓要求；溫差70℃時，開路電壓可達385mV。

圖4　室溫20 ℃時，溫度和電壓的關系

3.2電源帶載能力試驗

在圖3所示的升壓電路Vout端接入不同直流電阻以模擬電源負載。

考慮到目前很多微功耗智能儀表采用了MSP430系列微功耗單片機作為核心，而MSP430額定電壓范圍為1.8 V～3.6 V，典型工作電壓為3.3 V。故作電源帶載能力試驗時，以3.3 V為判定依據，升壓電路Vout端電壓達到此電壓即認為可滿足儀表正常工作用電需求。

圖5為不同負載時，電源Vout端口電壓大小隨熱源與環境溫差變化情況。從圖5中可以看到，在40 kΩ、20 kΩ、10 kΩ負載情況下，Vout端口電壓達到3.3 V所需溫差分別為：22 ℃、28 ℃和53 ℃。此三種情況下電源的輸出電流分別為：82.5A、165A和330A。鑒于以MSP430為核心的微功耗設備的平均工作電流通常在幾百A以下。因此，此電源完全可以滿足此類低功耗設備的工作需要。

4結語

研究了利用溫差發電技術將熱能轉換為電能，為微功耗儀表提供持久電力的方法。并設計基于LTC3108，實現DC/DC升壓、用超級電容儲能的微功率實用電源電路。所做實驗證明，該電源能夠為低功耗儀表設備提供足夠的電力，尤其適合于在供熱計量系統中應用。

文中所采用的設計方法和技術，對將其他形式的能量收集并轉化為微型系統可以使用的電能也具有參考價值。