便攜式溫差發電系統性能研究

郗艷華，楊 晨，王 彤

（咸陽師范學院物理與電子工程學院，陜西咸陽 712000）

0 引言

人們在進行野外探險、科考等工作時，經常會遇到用電設備電能耗盡的情況，如果現場沒有現成電源，這給工作者帶來極大不便。利用野外太陽能作為能源，采用光伏發電技術［1-2］產生電能是解決此問題方法之一。但這種設備在陰雨天和夜晚等特殊環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，基于溫差發電原理，通過將其燃燒產生的熱能轉換為電能來為野外用戶提供電源。這種溫差發電技術［3-4］因不受時間、空間影響，且具有高效、綠色、環保，便于攜帶等而成為人們研究熱點。本文基于溫差發電原理設計了一種利用野外可燃燒物質的便攜式溫差發電系統，并對其在開路、帶負載、接升壓穩壓電路及負載等性能進行測試。該裝置在野外無電時可作為應急電源使用，具有一定的實際應用價值。

1 系統組成

本系統由半導體溫差發電模塊、升壓穩壓電路模塊、充電保護模塊和負載組成，如圖1 所示。溫差發電模塊將可燃燒物質燃燒產生的熱能轉換為電能，經升壓穩壓電路后，為小功率照明設備使用；也可通過充電保護電路為具有鋰電池電源的設備充電。利用野外燃燒物燃燒產生的熱能，通過半導體溫差發電模塊將其轉變為電能。由于此種情況下產生熱能不穩定，導致其轉換的電能也不穩定，因此需要采用升壓穩壓電路來穩定輸出電壓，以保證用電設備正常工作。當控制開關接通負載時，其可作為小功率照明設備使用；但由于溫差發電具有一定的條件性，因此有些情況下需要將溫差發電模塊產生的電能存儲起來，以便在無溫差條件下為電子設備提供電源。同時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，選用保護電路來控制對電池的充放電，此時其作為充電設備使用的。

圖1 系統組成框圖

2 系統硬件設計

2.1 溫差發電模塊

2.1.1 塞貝克效應

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

2.1.2 溫差發電原理

P型和N型半導體利用金屬材料（如銅）連接起來，形成一個PN 結，稱作溫差發電單元，也稱為溫差電偶。將該溫差發電單元置于溫差環境中，高溫端P型半導體材料中空穴會向低溫端擴散，使其低溫端帶正電，高溫端帶負電；而N 型半導體材料高溫端的自由電子會向低溫端遷移，使其低溫端帶負電，高溫端帶正電。同時，在導體中高、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動；另一方面使反向的自由電子加速到低溫端。達到平衡時，半導體兩端就會形成一定大小的電動勢［8］。若將負載接入則形成閉合回路，就產生電流。這樣高溫端輸入的熱能就通過半導體材料高低溫端間的溫差轉化成電能。實際應用中，可將多個溫差發電單元通過串聯或并聯組合在一塊產生足夠高的電壓和電流。如圖2 所示為由多個溫差發電片和負載電阻RL組成電路，負載電阻上產生的輸出電壓為

圖2 半導體溫差發電單元結構

式中，r為溫差發電片內阻。則其輸出電流Io、輸出功率Po分別為：

其最大輸出功率為

半導體溫差發電片的熱端從熱源吸收的熱量由傳導熱、焦耳熱以及珀爾貼熱三部分組成，其中傳導熱為由溫差發電片的熱端傳遞到冷端的熱量，

式中，λ為熱導系數。

珀爾貼熱為熱端帕爾帖吸收的熱量：半導體內阻產生的熱，假設其一半流向熱端；另一半流向冷端，則焦耳熱為

所以溫差發電片從熱端吸收的熱量：

由式（3）、（8）可得溫差發電片的轉換效率為

本設計選用SP1848-27145 SA 溫差發電模塊［9］，它由126 對PN結串聯起來的元件，外形尺寸40 mm×40 mm，最高連續工作溫差可達到120 ℃。該溫差發電片熱端（無字的一面）采用導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）用導熱硅膠與寶塔式鋁制散熱塊粘貼在一起來進行散熱。測試時，將燃燒物放在長方形吸熱板下，將散熱塔放在水中進行散熱。

2.2 升壓穩壓電路模塊

由于半導體溫差片溫差不穩定而產生的電動勢不穩定，因此需要一個升壓穩壓電路穩定輸出電壓。本文選取效率可達93%的升壓穩壓芯片MT3608 為穩壓電路，其內部功能包括欠壓鎖定、限流和熱過載保護，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，其大小由下式所示

圖3 升壓穩壓電路

電阻R1和R2比例決定，本設計P3處連接1 kΩ可調電阻，使其輸出固定為5 V，其中UREF為0.6 V。

2.3 充電保護電路

2.3.1 充電電路

本設計選用容量高、壽命長、可多次充放電的鋰電池來存儲溫差發電片轉換的電能。一般鋰離子電池標稱電壓3.7 V，其工作范圍2.75～4.2 V。當電壓低于2.75 V時，電池停止給外界設備供電，需要給鋰電池充電；當充電電壓達到電池的滿電壓4.2 V，需要自動停止充電以保護電池，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利用內部的MOSFET結構對鋰電池進行充電管理。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，調整芯片的工作狀態；引腳2 經過電阻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 為充電狀態指示端；引腳8 為芯片使能端。當向電池充電時，引腳7 為低電平，二極管D2發光；當電池充電完成時，引腳6 的電壓被內部開關拉到低電平，二極管D3發光。

2.3.2 保護電路

鋰電池在實際使用中會出現過充、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］組成鋰電池保護電路。其電路如圖5 所示：DW01FA芯片內部具有電壓檢測、基準、延遲和短路保護電路，負責檢測鋰電池電壓和放電電流。8205A 芯片內部由2 個N溝道增強型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 鋰電池保護電路

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

2.4 負載模塊

負載模塊由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 實驗測試

3.1 性能測試

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

3.1.1 溫差發電模塊開路性能測試

在室溫20 ℃時，得到溫差發電模塊開路輸出電壓、溫差模塊上下表面溫度隨時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，溫差發電模塊的輸出電壓隨加熱時間成線性增加，在t＝100 s時，輸出電壓達到1.6 V之后其增加變緩，在t＝150 s后開始減小；圖6（b）中上表面（加熱面）溫度在t＝100 s后溫度隨加熱時間變緩，而其下表面（未加熱表面）溫度隨加熱時間成線性增加，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體材料的熱傳導性使其溫度增加，因此溫差發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，溫差發電模塊的輸出電壓隨溫差線性增加，在溫差為49 ℃時達到峰值，隨后其輸出電壓會出現下降。其主要原因是由于冷熱端的溫差減小導致，該現象驗證了溫差發電片的貝塞克效應，即式（1）。因此，要保證輸出電壓穩定，則要使溫差穩定。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。目前大多數應用后者來采取措施。由圖6（c）可看出，溫差發電模塊的溫差每變化1 ℃，其輸出電壓可增加0.05 V 左右，即該溫差發電模塊的塞貝克系數α ＝0.05。

圖6 溫差發電模塊開路性能

3.1.2 溫差發電模塊帶負載后性能測試

圖7 為在溫差發電模塊的輸出端接負載RL＝2 Ω后測試結果。由圖7（a）（b）可以看出帶負載后溫差發電模塊輸出電壓減小，但其上下表面溫度隨時間變化與性能測試開路時相似。由圖6（c）和圖7（c）比較后可以看出，在相同溫差下，帶負載后其輸出電壓減小，該實驗結果驗證了式（3）。同時利用其實驗數據能夠計算出該溫差發電模塊的內阻。如：以兩圖中溫差為30 ℃為例，圖6（c）中其開路時輸出電壓E＝1.4 V，圖7（c）中帶負載電壓Uo＝0.54 V，將該數據代入式（3），可得到該溫差發電模塊內阻為3.2 Ω。經過查找該類型溫差發電模塊手冊，其內阻為3.3 Ω，其相對誤差為3%。將上述數據代入式（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 帶負載溫差發電模塊性能

3.1.3 帶穩壓器后輸出電壓性能測試

由上述性能測試可見，溫差發電模塊的輸出電壓隨溫度變化比較快，因此需要接入穩壓器件來穩定輸出電壓。圖8 為連接穩壓器的測試結果。在圖8（a）中，當溫差發電模塊輸出電壓達到1.6 V后，穩壓器可將其在短時間內穩壓到5 V。圖8（b）中溫差發電模塊輸出電壓、上下表面溫度都隨加熱時間線性增加，在輸出電壓達到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 ℃后被穩壓到5 V。

圖8 帶穩壓器輸出性能

3.1.4 穩壓器帶負載后性能測試

在穩壓器連接LED負載后，分別測量溫差發電模塊輸出電壓和上下表面溫度在加熱過程中隨時間變化的曲線如圖9 所示。由圖9 可見，溫差發電模塊輸出電壓、上下表面溫度、溫差及穩壓芯片MT3608 輸出電壓都隨時間逐漸線性增加，在輸出電壓達到1.6 V后，其輸出電壓增加變緩，同時其LED輸出象相似。將圖6（c）和圖9（c）進行對比發現，溫差發電模塊在開路和穩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。實驗過程的現象：在溫差發電模塊輸出電壓達到1.6 V后二極管開始發出微弱的光，隨后其亮度急劇增加，并當繼續加熱時其亮度保持不變。圖9（c）為溫差發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系，該關系驗證了塞貝克效應。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電模塊內阻分壓導致。

圖9 穩壓器帶負載后輸出性能測試

3.2 溫差發電模塊轉換效率分析

溫差發電模塊的轉換效率是指其輸出功率與溫差發電模塊從高溫熱源吸收熱量的比值。按照3.1 節分析，當溫差發電模塊接負載電阻RL＝2 Ω 時，以溫差為30 ℃（此時熱面溫度為50 ℃）進行其轉換效率理論分析，由4.1 節得到溫差發電模塊的塞貝克系數α＝0.05，內阻r＝3.2 Ω，假設其導熱系數λ ＝1.3，將所有數據代入式（10），得到其能量轉換效率率約為4.2%。由于溫差發電模塊從高溫熱源吸收熱量Qh在實際中比較難測試，本文在計算其實際轉換效率時仍用上述理論計算的數據，而輸出功率利用實際測試的數據，得到其轉換效率約為3.5%。由于溫差發電模塊從高溫熱源吸收熱量要比理論多很多，同時再考慮穩壓器和充電保護電路中能量的損耗，實際中其熱電轉換效率要低很多。如果再考慮熱風槍等熱源能量在加熱過程中會有大量的損失，因此實際溫差發電模塊的熱電轉換效率會更低。但作為在野外無電的特殊情況下，該裝置作為應急電源具有一定的實際應用價值。

3.3 作為充電設備測試

將開關K接通充電時，溫差發電模塊輸出電壓通過充電保護電路對鋰電池充電，此時充電顯示二極管D1發光，當充電后輸出電壓為4.2 V，充電充滿顯示二極管D2發光，可實現對鋰電池保護。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，當外界不具有溫差發電模塊工作條件時，該充電電池可作為能源為負載供電。

4 結語

通過實驗測試便攜式溫差發電系統中溫差發電模塊在開路、接穩壓器及其負載等情況下，其輸出電壓分別隨時間和溫差變化特點，驗證了溫差發電模塊的塞貝克效應，對其轉換效率進行了測試和分析，并測試其作為充電設備時充電性能。該系統具有結構簡單、無噪音、便于攜帶、使用壽命長等優點，該裝置在高寒、邊遠山區或野外等無供電情況下，可將燃燒物燃燒的熱能轉化為電能為其他用電設備提供電源，能解決使用者的燃眉之急，其在實際生活中具有一定應用價值。