半导体温差发电装置的研究

贾鹤鸣，李敬源，杨明，溥涛野，王冠

(东北林业大学 机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

半导体温差发电装置的研究

贾鹤鸣，李敬源，杨明，溥涛野，王冠

(东北林业大学 机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

本文旨在研究半导体温差发电模块输出电压、输出功率与冷热端温差的关系，采用高性能的隔热材料以及冷却水循环降温措施使温差始终保持较高数值，根据塞贝克原理，利用热电材料直接将热能转化为电能，进而通过相应的电源稳压、充电模块，形成一个小型的充电装置，可以给生活中的手机等移动设备进行充电。

温差发电；塞贝克效应；输出功率；稳压模块

0 引言

随着目前社会和科技的的发展、手机、mp3等便携数码设备已经越来越离不开我们的生活。但是在某些特殊的场合，这些设备的供电就成了一个问题。另一方面，随着能源的消耗，可用利用的环境资源越来越少。这对开发新的能源技术有了更高的要求，如何做到人与自然的和谐发展也是当前迫在眉睫的事情[1-4]。而半导体温差发电装置技术的产生对能源危机来说有了新的希望，它具有环保绿色、循环利用、安全可靠、经济效益好等优点，所以发展前景极为广阔[5-6]。

温差发电技术是近几年来发展发展较快的一种热能发电技术。该技术它具有环保、无噪声、工作安全可靠等一系列优点，因而其应用领域可设计到军事与航天、汽车尾气发电机、工业余热发电、生活余热发电等诸多领域[7-10]。温差发电可以直接将热能转化为电能，但目前由于受到热电材料自身的因素和环境因素的影响，使得大多数温差发电装置的热转化效率很低，在本次设计当中为了提高其效率，将四组温差发电片串联，另外采用高性能保温材料和循环冷却水使得温差保持在一个相对理想的数值下，从而减小环境因素的影响，使得发电效率进一步得到提高。

1 发电装置的基本构成及原理

1.1 直流电产生模块

本次发电装置的结构图如图1所示，其主要包括三大部分：温差发电模块、稳压模块和充电模块。其中温差发电模块由半导体温差发电片串联模块、热源以及冷水段冷散热三个部分构成，只要给该模块提供温差，该温差发电模块的两端便可以产生电压差，从而为可充电设备提供电能。但是另一方面由于温差的不稳定会导致产生的电压不稳定，无法给充电设备提供正常的供电电压，因而必须对产生的电压进行稳压处理，然后方可利用稳定的电压。稳压模块将不稳定的直流电能转换成稳定的直流电能。充电模块将电能通过充电电路给设备进行充电。各个模块如图1所述。

直流电的产生主要是运用TEG1-241-2.0-1.2型半导体温差发电片将热能转换为直流电能。根据热电效应，将两种半导体结合，并使一端处于高温状态，另一端处于低温状态，那么在温度低的一端便会产生温差电动势，且温差电动势与温差的关系呈现正比关系，即：

图1 半导体温差发电模块构架Fig. 1 Structure of the semiconductor thermoelectric module

图2 半导体温差发电片工作方式Fig. 2 Work Pattern of the semiconductor thermoelectric's module

其中ΔU为冷端产生的温差电动势，ΔT为热端和冷端的温差，α称为塞贝克系数, 其单位是 V/K 或 μV/K，塞贝克系数由材料本身的电子能带结构决定的。半导体温差发电片工作方式如图2所示。

1.2 稳压电路

由于热端温度的变化以及冷端散热的局限，半导体温差发电片两端的温差会出现波动, 根据塞贝克效应,输出的电压也不稳定。因此需引入一个稳压电路模块稳定输出电压。

稳压电路设计分析：(1)半导体发电模块输出电压在4.2V-6.5V；(2)现在，小米、华为大多品牌手机充电电源适配器输出的是5V，1000mA直流电。因此，稳压电路选用美国国家半导体公司生产的串联集成稳压器LM317，LM317是一种三端可调输出正电压稳压器，输出电压范围1.2V至37V连续可调，负载电流最大能达1.5A，而且此稳压器非常易于使用，仅需两个外部电阻来设置输出电压，它的线性调整率和负载调整率也优于标准的固定稳压器。此外内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路，能有效防止烧坏。

稳压电路图如图3所示。工作时，LM317建立并保持输出与调节端之间1.25的标称参考电压(Vref)，这一参考电压由Radj-1转换成编程电流(Iprog),该恒定电流经R2到地。

输出电压Vout可以由如下公式给出：

根据电路的实际需要，适当调节电位器Radj-1、Radj-2阻值的配比，获得所需电压。

1.3 充电电路

本文采用锂离子电池充电管理芯片TP4056进行设计，TP4056是采用恒定电流/恒定电压的线性充电器，其带有散热片的SOP8封装与较小的外部元件数目使得TP4056成为本课题首选。内部采用了PMOSFET架构，加上防倒充电路，无需再添加外部隔离二极管。热反馈可以对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高温环境下对芯片温度加以限制。TP4056还具有电池温度检测、欠压锁闭、自动再充电和两个用于指示充电状态的LED引脚。

图3 稳压装置应用电路Fig. 3 Regulator circuit

图4 锂电池充电应用电路Fig. 4 Lithium-ion battery charged circuit

图5 半导体温差发电装置实物图Fig. 5 Picture of the semiconductor thermoelectric generator

2 工作过程及性能测试

2.1 工作过程

本课题设计的半导体温差发电装置如图5所示。装置可放入平底锅或容器内，烧开水发电为手机充电。当充电装置工作时，四片温差发电组件串联联产生的电能作为稳压充电模块的电源输入，当电压达到稳压充电模块的启动电压4.2V时，经过稳压整流后就能为需要充电的数码设备进行充电；四片温差发电片串联产生的电能将驱动水泵抽水进行冷循环，进一步降低冷面温度，增大温差，提高温差发电组件的输出功率。随着输出功率的增加，水泵抽水量增大，温差发电组件冷热面温差增大，其输出功率也随之增大，最终达到相对稳定的状态。由于稳压充电模块的作用，其充电电压始终稳定在5V(±3%)， 但是可以提供更大的充电电流，可以同时为多个设备充电。

2.2 性能测试与分析

在实验过程中采用铝壳式PTC加热器作为热源，采用模块化测试的方法，先对各个模块进行测试然后进行整体测试。

进行在不同温差、不同负载下单体的功率效应曲线。绘制成图6，可见在负载相同，20℃、40℃、60℃时功率变化呈现递增，即随温差的增大，输出功率出现较大提升。

在整体测试中，保持热端温度为100℃，冷端温度为30℃左右时，直流电产生模块可以输出4-8V 不稳定电压，能产生4W 左右输出功率，满足锂离子电池的充电要求。输出电压经过稳压电路后，稳定输出5V 电压供给充电电路，最后经过充电保护电路，将电能储存在锂离子电池中。实验对摩托罗拉V8手机进行充电测试，结果如表1所示。

从原版充电器充电时间和半导体充电装置充电时间测试结果的对比可以看到，使用两种方式对手机进行充电时间差别在±5%以内，满足正常充电需求；充电过程中没有发生充电设备过热的情况，并在充电完成时，充电提示指示灯进行满电提示。

表1 充电装置测试结果Tab. 1 The test results of charging device

图6 功率效应曲线Fig. 6 Relation betweem output power and temperature difference

3 总结

本次设计装置的特点：半导体温差发电模块利用沸水所提供的热能，通过四片温差发电组件工作在80～120℃的温差下，能够输出电压4.2～8.0V、电流0.5～1A 的不稳定直流电源，解决在边远不供电地区人们充电难题；另一方面该装置的稳压充电模块，通过半导体温差发电模块所提供的不稳定直流源，输出5V(±3%)的稳定直流电，为各类数码设备进行安全充电。随着科技的进步，便携设备的的发展越来越快，使用率会越来越普及，在某些特定的场合比如野外、高寒偏远山区等地方，这种温差发电装置的的利用将会越来越广泛。因此半导体温差发电技术的发展也将会日益完善与成熟。

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Research of semiconductor thermoelectric power generation device

JIA Heming, LI Jingyuan, YANG Ming, PU Taoye, WANG Guan
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry Uniνersity, Heilongjiang 150040, China)

The relationship between output voltage/output power of the semiconductor thermoelectric module and the temperature difference between two sides of it was studied. High performance insulation material combining with the cooling water circulation system are used to keep the temperature different. With Seebeck effect as the theoretical foundation, generate electricity by the semiconductor thermoelectric power generation modules, and cooperate with the corresponding voltage regulator module and the charging module, small charging device is produced, and it can be used charge for digital devices in life.

Thermoelectric; Seebeck effect; The output power; Voltage regulator module

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.01.05

国家自然基金项目(31270757), 东北林业大学大学生创新创业训练计划项目(201410225181), 中央高校基本科研业务费专项资金(2572014BB03)

贾鹤鸣(1983-), 男, 副教授, 博士, 主要研究方向: 非线性系统控制理论与应用、智能控制与滤波技术方面的研究

贾鹤鸣，李敬源，杨明，等．半导体温差发电装置的研究[J]．新型工业化，2015，5(1)：34-37