基于LTC3108的电焊热能收集转换装置的研究

齐凤河，胡家旺，熊春宇

(1.大庆师范学院 物理与电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163712；2.大庆石化公司 热电厂，黑龙江 大庆 163714)

0 引言

电焊作业时，焊点处温度能达到几千摄氏度，即使被焊接的钢体体积和面积很大，电焊作业时被焊接的钢体材料也有很高的温度。通常，电焊时产生的这部分热量都是自然的散失，没有加以回收利用，造成浪费。为了能合理回收利用电焊作业时产生的大量的热量，本文以塞贝克效应为理论基础，采用半导体温差发电的原理，将电焊时产生的热量加以回收，转换成电能再利用。

1 热能收集转换装置的设计

热能收集转换装置主要包括热电转换模块和LTC3108升压转换模块两部分构成，其电路原理图如图1所示。

图1 热能收集转换装置电路原理图

1.1 温差发电

温差发电又叫热电发电，是一种绿色环保的发电方式。温差发电技术具有结构简单，坚固耐用，无运动部件，无噪声，使用寿命长等优点。可以合理利用太阳能、地热能、工业余热废热等低品位能源转化成电能。温差发电技术的研究最早开始于20世纪40年代[1]。

1.1.1 塞贝克效应

温差发电模块利用的是半导体的热电效应。热电效应包括三个基本效应：塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应[2-3]。这三个效应通过开尔文关系式联系在一起。热电效应还伴随产生了其他效应如：焦耳热效应和傅里叶效应。

在温差发电中，主要利用了温差电材料的塞贝克效应。在由两种不同导体构成的闭合回路中，当两个节点温度不同时，回路中有热电流产生，这就是塞贝克效应，如图2所示。不同材料a、b两端节点存在温差ΔT，便会产生塞贝克电势ε。

ε=αS(T2-T1)

式中：T1为低温端温度，单位K；T2为高温端温，单位K；αS为所用热电转换材料的塞贝克系数，单位V/K。

1.1.2 温差发电的原理

温差发电是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种发电技术，将P型和N型两种不同类型的热电材料(P型是富空穴材料，N型是富电子材料)一端相连形成一个PN结，如图3所示，置于高温状态，另一端形成低温，则由于热激发作用，P(N)型材料高温端空穴(电子)浓度高于低温端，因此在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就开始向低温端扩散，从而形成电动势，这样热电材料就通过高低温端间的温差完成了将高温端输入的热能直接转化成电能的过程[4]。单独的一个PN结，可形成的电动势很小，而如果将很多这样的PN结串联起来，就可以得到足够高的电压，成为一个温差发电器。

图2 塞贝克效应示意图

图3 温差发电原理示意图

1.2 LTC3108升压转换模块

1.2.1 LTC3108的结构

LTC3108是一款高度集成的DC/DC转换器，非常适合于收集和管理来自诸如TEG(热电发生器)、热电堆和小型太阳能电池等极低输入电压电源的剩余能量。该器件所采用的升压型拓扑结构可在输入电压低至20mV的情况下正常工作。

LTC3108采用一个内部MOS开关，一个外接变压器和一个小的耦合电容形成一个振荡器，能够将20mV的电压放大到2.2V、2.35V、3.3V、4.1V和5V多种输出电压，为微处理器、传感器和无线模块等器件提供稳定电源。

1.2.2 LTC3108的输出

LTC3108具有多个电压输出端，可以提供不同的供电模式。具体如下：

VLDO：2.2V稳压输出。使用时需要与地之间接一个2.2uF或者更大的电容器提高稳定性，可提供的最小电流为4mA。

VOUT：主输出。输出电压可由VS1和VS2进行设置，输出四种不同电压模式，如表1所示。

表1 主输出电压设置表

VOUT2：开关输出，输出电压同主输出，可由主微处理器采用VOUT2_EN引脚来控制其接通和关断。当被使能时，VOUT2通过一个P沟道MOSFET开关与负载相连。该输出可用于为诸如传感器或放大器等不具备低功率睡眠或停机功能的外部电路供电。当不被使用时，此管脚应悬空或是与VOUT相连。此输出最大输出电压为0.3A。

VSTORE：能量存储。VSTORE脚可以外接非常大的电容(几千PF甚至几F)，以便在失去输入电源的时候提供保持作用。一旦上电操作完成，则主输出、稳压输出和开关输出均可使用。如果输入电源发生故障，则操作仍然能够借助VSTORE脚的外接电容器的供电而得以持续。VSTORE输出可用于在VOUT达到稳压状态之后对一个大存储电容器或可再充电电池进行充电。在VOUT达到稳压状态以后，允许VSTORE输出充电电压(该电压被箝位于5.3V)。VSTORE上的电能存储元件不仅能够在失去输入电源的情况下用于给系统供电，而且还能够在输入电源所具备的能量不足时用于补充VOUT、VOUT2和VLDO输出所需要的电流。

PGD：正常输出电压指示。当主输出的电压误差在规定值的7.5%以下时，PGD管脚通过一个10MΩ的上拉电阻和VLDO相连，输出高电平。如果主输出的电压误差超过规定的值的9%，PGD管脚输出低电平。

2 系统可行性分析

将P型半导体和N型半导体在热端连接，则在冷端可得到一个电压，一个PN连结所能产生的电动势有限，将很多个这样的PN连结串联起来就可得到足够的电压，然后将串联PN结并联，得到足够的电流，成为一个温差发电机。这样的温差发电机完全没有转动部分，因此非常可靠。由于本文采用LTC3108低输入电压升压转换模块，在输入电压高于20mV情况下就可以正常工作，输出电压可以给微处理器、传感器供电；再加上电焊时被焊钢体温度非常高，能产生非常大的冷热温差。因此，半导体串联数量不需要很多，这样可以在有限的面积内放置足够的并联PN结，以满足所需电流要求。

3 结语

本文设计了一种基于温差发电和LTC3108低输入电压升压转换模块的电能收集充电器。该装置可以收集电焊工作时产生的大量热量，将热量转换为电能，为微处理器和传感器供电，变废为宝，节能环保，具有良好的推广和使用价值。

[参考文献]

[1] 高敏，张景韶，ROWE D M.温差电转换及其应用[M].北京：兵器工业出版社，1996.

[2] STRASSER M, AIGNER R, LAUTERBACH C, et al. Micromachined CMOS thermoelectric generators as on-chip power supply[J].Sensors and Actuators A-Physical,2004,114(2/3):362-370.

[3] JIANG J, CHEN L D, BAI S Q, et al. Fabrication and thermoelectric performance of textured n-type Bi2 (Te, Se)3 by spark plasma sintering[J]. Materials Science and Engineering, 2005,117(13):334-338.

[4] 赵建云，朱冬生，周泽广，等.温差发电技术的研究进展及现状[J].电源技术，2010(3):310-313.

[5] 时海涛，李林，王心刚，等.基于单片机的电能收集充电器设计[J].工业仪表与自动化装置，2011(3):103-106.

[6] 袁之亦，郭佳婧.智能电能收集充电装置设计与制作[J].仪表技术，2011(12):50-52.