小型化溫差發電系統的設計及實現

電子科技大學附屬實驗中學 何 奕

電子科技大學 黃文靈 陳志祥 胡曉東 陳定輝

1 引言

自1821年，Seebeck發現塞貝克效應以來，國內外對溫差發電這種綠色能源技術進行了大量的研究，并取得了多方面的應用[1][2][3]。與傳統發電方式相比，溫差發電技術具有結構簡單、無運動部件、工作時無噪聲、無廢棄物的排放等一系列優點[4,6]，是一種環境友好型的發電方式。半導體材料優異的熱電轉換性能使之成為溫差發電材料的首選。隨著材料技術和制作工藝的進步，在一些較廉價的高性能材料研究方面已經取得了很大的進步[7]。

盡管溫差發電效率目前只有約 5%～7%，但對于微功耗的傳感器或傳感器網絡，利用周圍環境的熱能通過熱電轉換實現自主供電卻是很好的解決方案。

本文針對該應用設計了一個小型化溫差發電系統。基于TES112703型號的溫差發電片，合理布局電源管理系統和系統機械結構，得到了結構緊湊的小型化溫差發電系統。

2 溫差發電系統結構設計

溫差發電系統是基于環境溫度來實現溫差發電的，如化工管道的熱態流液，長距離石油管道中輸送的加熱原油，水暖管道的熱水以及其它工業環境中的固態熱源等等。溫差發電的發電片一端貼合在熱源上，發電片的另一面需要一個散熱機構，使發電片兩端的溫差盡量大，以期達到制冷片冷熱端盡量大的溫差。

實用的溫差發電模塊一般結構如圖1所示。它包含于三個部分：1：金屬集熱件、2：半導體發電片、3：金屬散熱件。

2.1 溫差發電系統總體結構設計

本文選用的溫差發電片TES112703型，其幾何尺寸為30×30×3.7mm。在系統裝配設計上，溫差發電片與熱端和冷端的金屬模塊貼合時，在金屬面和發電片陶瓷基板面上涂抹導熱硅脂來保證熱量的良好傳導，并在溫差發電片周圍增加一個耐熱性能優良的PEEK（聚醚醚酮）材料塑料框加以固定，保證結構的穩定性。

圖1 溫差發電模塊示意圖

圖2 溫差發電系統俯視圖和側視圖

圖3 溫差發電系統電源管理電路原理圖

金屬集熱件上預留出與熱源裝配的空間，方便其與熱源通過螺絲固定。同時在金屬集熱件與金屬散熱件之間預留空間，將電源管理系統固定在兩者之間，形成小型化的結構系統。下圖2為系統設計的俯視圖和側視圖。其中a為溫差發電系統俯視圖 ，b為溫差發電系統側視圖（1、散熱體，2、發電片，3、電源管理電路，4、集熱體）。

2.2 溫差發電系統散熱結構設計

為了系統的小型化及節能，散熱機構采用自然對流散熱。自然對流散熱系數一般在3～5（Kcal/m2.h.℃）左右[8]。散熱方式十分依賴散熱面積，散熱面積越大，散熱效果越好。散熱面積增大會帶來系統成本過高，體積過大的問題。為增大散熱面積，采用細長針狀散熱結構，并通過ANSYS仿真設計，確定針邊長2mm、針間距3mm、針尖長度15mm為比較理想的散熱結構。

3 基于LTC3108的電源管理電路設計

本文采用的LTC3108芯片作為溫差發電系統電源管理芯片。通過改變VS1和VS2兩管腳與GND和VAUX之間的連接關系，可得到2.35V、3.3V、4.1V、5V四個檔位的電壓輸出，滿足不同低電壓應用的需要。電路設計原理圖如圖3所示。

U1為電源管理芯片；C6為儲能電容，儲存發電系統的電能，供用電器使用；U2為10芯接插件，為系統的外圍提供接口；R1和R2兩個熱敏電阻，可對發電片冷熱端面溫度實現監控。

為實現小型化，電源管理PCB電路嵌入到系統的機械結構中，如圖2所示。PCB電路尺寸為40 mm×15mm。電源管理電路PCB版圖的正面幾背面元件布局圖如圖4所示。

圖4 電源管理電路PCB版圖正面幾背面圖面

4 溫差發電系統測試與分析

對制作的小型化溫差發電系統做測試，溫差發電系統及其測試裝置如圖5所示。

圖5 溫差發電系統及其測試裝置圖

將溫差發電系統的集熱體面放置在熱板上，通過調節熱板溫度，測試制冷片冷熱端的溫差和系統輸出功率。溫差隨熱端面溫度變化曲線，如圖6所示。測試結果和散熱效果仿真模擬結果非常接近。

在外接20Ω負載的條件下，測試不同溫差下每一個檔位電壓的溫差與輸出電流和輸出功率之間的關系，測試結果如圖7所示。

同一溫差下不同電壓輸出對應不同的輸出功率，電壓越高，輸出功率就越高，同時負載電壓和電流相應提高。溫差越大，電源管理系統輸出功率越大，在60℃溫差下、5V檔位達到2.31mW的輸出功率。測試表明：該小型化溫差發電系統應用在足夠溫差的環境下，輸出功率可以為小型充電設備充電，或為小型用電器如微處理器、傳感器和無線模塊供電。

圖6 實測溫差與仿真溫差對比曲線

圖7 電源管理系統輸出功率、負載電壓、負載電流和溫差的關系曲線

5 總結

本文通過機械結構和系統的巧妙設計，制作了一個小型化溫差發電系統，發電系統通過電源管理實現穩壓輸出、儲能和溫度監控等功能。對該系統實驗測試表明：溫差發電系統的散熱效果與仿真設計結果相近；在一定溫差下，系統可實現穩定的功率輸出，是微功耗系統理想的自供能系統。

[1]高敏,張景韶,D.M.Rowe.溫差電轉換及其應用[M].北京:兵器工業出版社,1996,165-171.

[2]楊廣發,李濤,盧繼龍.溫差發電技術的應用和展望[J].制冷空調與電力機械,2006,12(3):16-18.

[3]欒偉玲,涂善東.溫差點擊數的研究進展[J].科學通報,2004, 23(6):15-17.

[4] Min G, Rowe D M 1992 J. Power Sources 38 253.

[5] Rowe D M, Min G 1998 J. Power Sources 73 193.

[6] Rowe D M 1981 Appl. Energ. 8 269.

[7] Chen J,Yan Z,Wu L1996 J. Applied Phy. 79 8823.

[8]何浩,劉偉強.高速燃氣噴射管道表面自然對流散熱分析[J].工業加熱,2008, 27(8): 58-61.