智能半導體溫差發電裝置設計與應用研究

劉興娣+++王+雪+++范倫禹+++張玉立

摘 要：文章利用溫差發電技術，通過溫差采集和能量轉化，將溫差信號實時轉化為電信號并且進行電能的穩定輸出和儲存，進而設計一個成本低廉、性能可靠、使用方便的多功能溫差綠色電源。該電源不僅攜帶方便，可以適應多種場合使用，而且由于其電能產生的特殊性，還可以在一些特定的環境中應用。

關鍵詞：智能半導體；溫差發電裝置；設計；應用

引言

電力是各領域運行以及各電子產品功能實現所需的重要能源，就目前的情況看，火力發電屬于主要發電方法，會造成一定的能源浪費。智能半導體溫差發電裝置的設計，能夠有效解決上述問題，對可持續發展戰略的落實具有重要價值，同時也是發電技術發展的主要方向。

1 智能半導體溫差發電原理

多功能綠色溫差電源是利用溫差產生電能的新型便攜式綠色能源發電裝置。它分為吸熱、吸冷兩面，當有溫差產生時，就能實現電能的輸出。它可獨立使用，也可嵌入有溫差的產品上，同時還能推廣應用到國民經濟的諸多領域，如道路交通指示系統，夜景工程，廣告裝潢等。

2 智能半導體溫差發電裝置的設計

2.1 智能半導體溫差發電裝置功能

（1）溫度采集。溫度采集是智能半導體溫差發電裝置的主要功能之一，同時也是發電功能實現的第一步。裝置的吸熱與吸冷兩面，可分別吸收不同的溫度，實現溫度的采集。采集后的溫度，可被自動計算出溫差，并顯示出來。

（2）能量轉換。能量轉換是智能半導體溫差發電裝置實現發電的第二步。在采集并計算出溫差之后，裝置能夠將其轉換為電能，進而使其能夠供我們日常使用。

（3）電能傳輸。溫差所轉換成的電能，能夠實現傳輸，以為使用者對能量的應用提供途徑。電能傳輸過程是將裝置與使用者相連接的關鍵，一旦傳輸出現問題，溫差所轉換的電能則無法被利用。

（4）儲存電能。為避免無法立即被利用的電力被浪費，該裝置還能夠實現儲存電能的功能。如溫差所產生的電能在使用過后存在剩余，可以被存儲在裝置之中，在使用者需要時，可以隨時加以使用，極大的提高了便利性。

（5）外觀。智能半導體溫差發電裝置具有體積小巧的特點，因此攜帶較為方便，為使用者帶來了極大的便利性，可將其隨意應用到各個場合。上述特點也擴大的改設備的應用范圍。

2.2 裝置構成

智能半導體溫差發電裝置主要由以下模塊構成：（1）PTC陶瓷加熱模塊。（2）半導體溫差發電模塊。（3）水冷散熱模塊。（4）單片機溫差控制模塊。（5）數據采集模塊。

不同模塊功能不同。PTC陶瓷加熱模塊的功能在于實現加熱，以增加裝置的溫度，實現吸熱。水冷散熱模塊的功能在于完成散熱過程，實現吸冷。數據采集模塊的功能在于對最高溫度與最低溫度進行測量，進而計算出兩者之間的差值并將其顯示。單片機溫差控制模塊的功能在于對溫差進行控制，避免超過裝置所能承受的極限值，確保發電過程能夠順利實現。半導體溫差發電模塊的功能在于真正實現發電，以供使用。

2.3 裝置溫度控制流程

裝置溫度控制工作流程從初始化開始：

（1）裝置開始工作，完成初始化。

（2）設定溫度上限，繼電器常閉。

（3）開啟加熱器，并檢測熱端溫度。

（4）溫差控制，判斷當前溫差是否大于熱端所能承受的最大溫度。

（5）如當前溫度大于熱端所能承受的最大溫度，則指示燈熄滅，加熱裝置斷開。

（6）如當前溫度小于熱端所能承受的最大溫度，則加熱器工作。

2.4 設計效果

為判斷該裝置性能，采用實驗的方法，分別在20℃、40℃等溫差下，對其開路輸出特性與不同負載下的輸出特性進行了分析，結果如下：

2.4.1 開路輸出特性

通過對該裝置開路輸出特性的分析發現，在不同溫差下，裝置的輸出特性也有所不同：在溫差為20℃的情況下，開路電壓為8.67v，短路電流為0.29A，功率為2.5144W。在溫差為40℃的情況下，開路電壓為13v，短路電流為0.39A，功率為5.07W。在溫差為60℃的情況下，開路電壓為16v，短路電流為0.45A，功率為7.2W。在溫差為80℃的情況下，開路電壓為16.9v，短路電流為0.48A，功率為8.112W。在溫差為100℃的情況下，開路電壓為17.3v，短路電流為0.48A，功率為8.304W。在溫差為120℃的情況下，開路電壓為18.1v，短路電流為0.48A，功率為8.688W。

觀察上述數據可以發現：隨著溫差的不斷增加，裝置的開路電壓與功率也一直在增加，兩者與溫差的變化情況呈正比。對于裝置的短路電流而言，在溫差在20℃—80℃之間時，其數值一直呈增加的趨勢，但在80℃（包括80℃）其數值再無增長，一直保持在0.48A的標準。

2.4.2 不同負載下的輸出特性

通過對不同負載下的輸出特性的觀察發現：隨著溫差的不斷增加，裝置的輸出功率一直不斷增大，兩者呈正比，在溫差達到60℃時，負載從1Ω增加到2.2Ω，此時裝置的輸出功率從0.173W增加到了0.471W，基本達到了最大值。在裝置的溫差達到60℃以上之后，裝置的輸出功率雖仍呈增加趨勢，但增加程度較小，變化趨勢較小。通過對不同負載下裝置輸出特性的分析發現，在電阻達到4.7Ω的時候，該裝置的輸出特性達到最佳狀態。

3 智能半導體溫差發電裝置的應用

智能半導體溫差發電裝置可以用于交通指示系統、夜景工程、廣告裝潢等多領域當中。以交通指示系統為例，為確保交通的順暢，避免發生交通事故，需保證夜間行車駕駛者能夠清楚的看見交通指示系統，因此必須保證系統常亮。如以傳統電力作為主要電力資源供應，會造成極大的能源浪費，與可持續發展戰略的要求相違背。采用智能半導體溫差發電裝置，作為其電力能源來源，可以達到有效節約傳統電力資源的目的，不僅能夠維持交通的正常運轉，同時能夠達到節約能源的目的，是綠色發電裝置的主要代表，同時也是可持續發展戰略下發電裝置發展的主要方向。除此之外，還可將該裝置應用到夜景工程和廣告裝潢之中，以使龐大的夜景工程能夠實現綠色電力供應，使廣告裝潢能夠節約更多的電力資源。

需要注意的是，在上述裝置設計完成之后，為確保其性能能夠正常發揮，有必要采用實驗的方法對裝置的輸出特性等進行分析，以避免裝置在應用過程中出現故障。與此同時，要加強對裝置的維護，以提高其使用性能，延長其使用壽命，使其能夠為社會的發展帶來更大的價值。

4 結束語

綜上，智能半導體溫差發電裝置可應用于交通指示系統、夜景工程以及廣告裝潢等領域，該裝置可將冷熱溫差轉換為電能，通過輸出，使電能被使用，具有較高的環保價值，從長遠的角度看，應將改裝置擴大的使用，以使綠色發電能夠更好的實現，為社會以及國家的長遠發展奠定基礎。

參考文獻

[1]梁秋艷，姜永成，董航，等.智能半導體溫差發電裝置設計與實驗[J].佳木斯大學學報（自然科學版），2016，05：781-783+830.

[2]黃學章，包涵，周孑民，等.鋁電解槽側壁余熱利用的半導體溫差發電裝置設計[J].輕金屬，2011，09：33-37.

[3]張歡，靳寶安，寧鐸，等.基于STM32的半導體溫差發電裝置的研制[J].電源技術，2016，02：326-328.

[4]涂小亮，倪計民，石秀勇.汽車發動機尾氣余熱溫差發電裝置結構研究[J].小型內燃機與車輛技術，2014，04：34-39.