低温热能转化为电能自供电装置的研究

李 朋/窦甜华（山东同圆设计集团有限公司， 山东 济南 250101）

0 引言

随着能源与环境危机的日益突出，以及半导体技术的迅速发展和各种优质半导体材料的不断问世，温差发电技术以其无噪音、无磨损、无污染排放、体积小及重量轻等优点越来越受到人们的关注。半导体温差发电应用于中高温差发电的研究较多，而在低温差情况下，由于发电机发电效率较低，这方面的研究和应用还处于起步阶段。美国、英国和日本等国都制定了通过温差发电进行废热回收利用的计划，现还处于模型试验研究阶段[1]。

用户热量表是集中供暖系统实现热量分户计量的重要仪表。给热量表供电一般采用网络总线供电和电池供电两种方式。采用总线供电会遇到管线布置走向、穿管以及提前剔槽预埋等一系列复杂问题，这样就间接造成了工期拖长、费用加大、扩展系统及网络兼容等。目前采用的有线远程热量计量系统中，由于管线敷设距离较长造成的管线短路、断裂等问题越来越明显，加上本身的线路复杂，很大程度上加大了线路维护的难度。系统断电后，不得不采用第二电源电池供电，第二电源超过负担的时间，就会造成系统计数与机械表头读数的误差。电池供电存在使用年限短、供电电流小等问题，难以满足5～6年的使用期限的要求，随着使用年限的增加，利用率会更低，当电池电压降无法满足热量表的需求时，电池电量就会使系统处于无法开启和关闭锁闭阀的状态，导致锁闭阀失去控制。第二电源无法保证热量表网络大批量动态数据实时传输所需要的电量，长时间在此状态下工作，热量表会在其使用年限之前损坏。

1 自供电装置结构图

针对上述问题，本文设计了一种自供电装置，以供暖系统中的暖气片或者暖气管道为热源，利用温差发电原理，将低温热能转化为电能，使用充电泵和DC/DC变换器升压稳压，用于给热量表供电，也可给充电电池充电。如图1所示，自供电装置主要包括两部分：温差发电模块和稳压模块。下文将详细介绍各部分的工作原理。

2 温差发电模块原理

温差发电模块的构造主要包括两部分：温差发电器件和散热器。

温差发电借助了塞贝克效应，利用能量守恒原理，把热能转换为电能。这是一种比较新颖的发电方式，利用了塞贝克电压与热冷两端温度差成正比[2]的工作原理。随着半导体技术的发展和研究，半导体温差发电技术引起了世界范围内的极大关注，制造出了热能与电能相互转换的温差发电器件。温差半导体发电存在一系列的优势，比如没有噪音污染、使用性能稳定及使用寿命长等，即使在恶劣的环境下，如-40℃的低温情况下，也能正常工作。由于这些优势的存在，使其使用情况越来越得到相应的重视。其工作原理是将温差设置在不同性质的两块半导体两端，这样两者之间就产生了直流电压，温差发电器件通常是由P、N两种不同类型的半导体温差发电材料，经电导率较高的导流片串联，并将导流片固定于导热系数较小的陶瓷片上构成[3]。Bi2Te3、PbTe、SiGe 等固溶体合金，都是重要的温差电材料。本研究使用的温差电材料是Bi2Te3，温差发电器件结构图如图2所示。

温差发电器长度和宽度都为40mm，厚度仅为4mm，并包含127对PN结，具有适应恶劣环境的特性（如高温等）。特殊的工作特性保证其即使在180℃的温度下也可正常工作，甚至在220℃的高温下也可短暂工作。为使温差发电器件的热面与热源紧密接触，将导热片置于温差发电模块的热面与热源之间，并将导热硅脂涂抹在导热片表面。由于温差发电器件本身厚度非常小，因此两端（热面、冷面）达到热平衡的时间很短，这样对温差发电器件冷面的散热就成了其发电的关键要素，图3是研究中使用的散热装置。散热片底座尺寸为85mm×44mm×12mm，可放置两块温差发电器件。

本研究使用两块温差发电器件串联，实验测得其开路电压与温差之间的关系如图4所示。

在供暖系统中，温差发电器件热面紧密贴在室内暖气片上，发电器件冷面紧贴散热装置，将导热硅脂涂抹在散热装置的底座与温差发电模块冷面之间，这样能更好地将热量由热管导出，最后由散热片将热量散到空气中，将上述装置安装好并用螺丝固定。经测试，冬天暖气片温度与室内温度相差10℃～45℃。由实验数据可知，输出开路电压为0.7V～3V。

3 稳压电路原理

温差发电模块的输出随着温差的变化而变化，热源温度很难控制在一个固定温度，室内温度也随着天气、时间的变化而变化，这样温差发电模块输出的电压不稳定，需要稳压电路稳压后才能给热量表供电，给充电电池充电。本研究使用精工电子的充电泵S882-Z与DC-DC转换器相结合,实现升压稳压，稳压电路原理图如图5所示。

开关电容式电压变换器是充电泵的另一种叫法，是利用“快速”或“泵送”电容（而非电感或变压器）来存储能量的变换器。其电压提升是通过开关阵列、振荡器、逻辑电路及比较控制器来实现，能量是靠电容器来贮存。其工作原理可以简单地表述为：通过受控的方式释放存储的能量来获取所需要的输出电压。电容器的快速充放电，使输入电压成倍增加或降低，得到所需要的输出电压。这种方式的效率很高，可以达到80%左右，并且结构简单，只需外接陶瓷电容。因此，可利用充电泵将温差发电模块产生的小电压积聚升压，使电能升高到一定程度，达到给热量表供电，给充电电池充电的目的。

本装置使用的S-882Z是一个超低压启动充电泵，S8353-30是DC-DC升压芯片。输入电压范围0.3V～3V，输出电压为3V。充电泵内部结构图如图6所示，工作流程图如图7所示。

工作原理为[4]：（1）当输入电压大于充电泵输入端子的0.3V电压时，启动内部的振荡电路，并输出脉冲信号。（2）输出的脉冲信号驱动充电泵电路，充电泵输入端子的电压转换为升压电压。（3）升压电压输出后，慢慢充电到启动用电容器（CCPOUT）中，这样就造成了CPOUT端子电压缓慢上升。（4）当CPOUT端子电压（VCPOUT）超过放电开始电压（VCPOUT1）时，转换器（COMP1）的输出信号就会从高电位转变为低电位。放电控制开关会转变为“开”的状态。（5）开启之后，CCPOUT处所充电的升压电力会从OUT端子处开始放电。（6）当VCPOUT小于放电停止电压（VCPOUT2）时，放电控制开关转变为“关”的状态而停止放电。（7）当端子电压（VVM）达到开/关控制电压（VOFF）以上时，转换器（COMP2）的输出信号（EN-）就会从低电位转变为高电位。因此，振荡电路会停止工作，并转变为休眠状态。（8）当VVM不能达到VOFF以上时，会利用来自充电泵电路的升压电力对CCPOUT进行再充电，并返回到（3）。

以图5所示的电路作为自供电装置的稳压模块，将温差发电模块的输出作为稳压模块的输入。根据应用需求，此稳压电路后可连接升压芯片，如使用MAX731将电压抬升到5V，给工作电压为5V的热量表供电，或给5V的充电电池充电。因为充电泵可以超低压启动，当温差较小时，只要温差电模块输出超过0.3V，充电泵仍可以启动给充电电池充电，可以最大限度的利用低温热源。

4 充电保护电路

如果将锂电池作为充电电池[5]，必须保证合理有效地利用其电池容量，当达到其最大电压以后，不能进行过压充电，否则会损坏电池的使用，必须有一套合理的充电保护电路。相同原理，如果电池过度放电会面临同样的问题，因此，合理的放电保护电路也是必不可少的。为了保护充电电池，本研究在充电电池与稳压模块之间增加充电保护芯片MCP73831。MCP73831是一款高级线性充电管理控制器，充电电路图如图8所示。

MCP73831采用恒流/恒压充电算法，并提供预充选项和充电结束控制选项。预充值和充电终止值与预设的恒流值成比例关系。通过在PROG引脚和VSS引脚之间的电阻来控制预充电流、快速充电电流和终止电流的大小。

5 结束语

本文所研究的自供电装置具有安全、不存在触电及爆炸隐患、能长期工作的特点。温差发电器件和稳压电路都属固定器件，便于安装，电路中大部分元件都采用贴片封装，使装置简单、体积小。该装置最大限度地利用低温热源，将热能转化为电能，使用充电泵和DC/DC转换器稳压，可用于供暖系统中热量表供电、充电电池充电。仅使用两片温差发电器件，相比以往研究中使用的温差发电组件串并联矩阵，大大节约了成本。利用合理的电池充放电保护电路，大大降低了电池损坏的风险。

[1]屈健.低温差下半导体温差发电器设计与性能研究[D].同济大学,2006.

[2]STRASSER M.AIGNER R,LAUTERBACHC,eta1.Micromachined CMOS thermoelectric generators as on-chip power supply[J].Sensors and Actuators A.Physical,2004,114（2-3）:362—370.

[3]贾磊，陈则韶，胡芄，孙炜.半导体温差发电器件的热力学分析[J].中国科学技术大学学报.2004 ,34（6）:684－687.

[4]李晓延.超低输入电压升压电路解决方案[J].2007,11:47-49.

[5]林玉兰，吕迎阳，梁 广，陈忠.基于半导体温差发电模块的锂电池充电装置[J].电源技术,2006,30（1）:38－40.