便携式温差发电系统性能研究

郗艳华，杨 晨，王 彤

（咸阳师范学院物理与电子工程学院，陕西咸阳 712000）

0 引言

人们在进行野外探险、科考等工作时，经常会遇到用电设备电能耗尽的情况，如果现场没有现成电源，这给工作者带来极大不便。利用野外太阳能作为能源，采用光伏发电技术［1-2］产生电能是解决此问题方法之一。但这种设备在阴雨天和夜晚等特殊环境下常常无法正常使用。因此人们利用野外存在大量可燃烧物的特点，基于温差发电原理，通过将其燃烧产生的热能转换为电能来为野外用户提供电源。这种温差发电技术［3-4］因不受时间、空间影响，且具有高效、绿色、环保，便于携带等而成为人们研究热点。本文基于温差发电原理设计了一种利用野外可燃烧物质的便携式温差发电系统，并对其在开路、带负载、接升压稳压电路及负载等性能进行测试。该装置在野外无电时可作为应急电源使用，具有一定的实际应用价值。

1 系统组成

本系统由半导体温差发电模块、升压稳压电路模块、充电保护模块和负载组成，如图1 所示。温差发电模块将可燃烧物质燃烧产生的热能转换为电能，经升压稳压电路后，为小功率照明设备使用；也可通过充电保护电路为具有锂电池电源的设备充电。利用野外燃烧物燃烧产生的热能，通过半导体温差发电模块将其转变为电能。由于此种情况下产生热能不稳定，导致其转换的电能也不稳定，因此需要采用升压稳压电路来稳定输出电压，以保证用电设备正常工作。当控制开关接通负载时，其可作为小功率照明设备使用；但由于温差发电具有一定的条件性，因此有些情况下需要将温差发电模块产生的电能存储起来，以便在无温差条件下为电子设备提供电源。同时为了防止充电过程中过放电或过充电对电池造成永久性破坏，选用保护电路来控制对电池的充放电，此时其作为充电设备使用的。

图1 系统组成框图

2 系统硬件设计

2.1 温差发电模块

2.1.1 塞贝克效应

将两种不同导体材料a和b（P型和N型）一端连接在一起并处于高温状态；另一端断开处于低温状态，在断开的两个节点间会产生电动势，该现象叫做塞贝克效应［5-7］。设高温状态温度为Th，低温状态温度为Tc，闭合回路中产生电动势为Eab，可表示为

2.1.2 温差发电原理

P型和N型半导体利用金属材料（如铜）连接起来，形成一个PN 结，称作温差发电单元，也称为温差电偶。将该温差发电单元置于温差环境中，高温端P型半导体材料中空穴会向低温端扩散，使其低温端带正电，高温端带负电；而N 型半导体材料高温端的自由电子会向低温端迁移，使其低温端带负电，高温端带正电。同时，在导体中高、低温端会建立起一个静电场，一方面阻止自由电子从高温向低温运动；另一方面使反向的自由电子加速到低温端。达到平衡时，半导体两端就会形成一定大小的电动势［8］。若将负载接入则形成闭合回路，就产生电流。这样高温端输入的热能就通过半导体材料高低温端间的温差转化成电能。实际应用中，可将多个温差发电单元通过串联或并联组合在一块产生足够高的电压和电流。如图2 所示为由多个温差发电片和负载电阻RL组成电路，负载电阻上产生的输出电压为

图2 半导体温差发电单元结构

式中，r为温差发电片内阻。则其输出电流Io、输出功率Po分别为：

其最大输出功率为

半导体温差发电片的热端从热源吸收的热量由传导热、焦耳热以及珀尔贴热三部分组成，其中传导热为由温差发电片的热端传递到冷端的热量，

式中，λ为热导系数。

珀尔贴热为热端帕尔帖吸收的热量：半导体内阻产生的热，假设其一半流向热端；另一半流向冷端，则焦耳热为

所以温差发电片从热端吸收的热量：

由式（3）、（8）可得温差发电片的转换效率为

本设计选用SP1848-27145 SA 温差发电模块［9］，它由126 对PN结串联起来的元件，外形尺寸40 mm×40 mm，最高连续工作温差可达到120 ℃。该温差发电片热端（无字的一面）采用导热贴与长方形铝制吸热板黏贴在一起吸热，冷端（有字的一面）用导热硅胶与宝塔式铝制散热块粘贴在一起来进行散热。测试时，将燃烧物放在长方形吸热板下，将散热塔放在水中进行散热。

2.2 升压稳压电路模块

由于半导体温差片温差不稳定而产生的电动势不稳定，因此需要一个升压稳压电路稳定输出电压。本文选取效率可达93%的升压稳压芯片MT3608 为稳压电路，其内部功能包括欠压锁定、限流和热过载保护，可防止输出过载［10］，其电路如图3 所示。输入电压范围为2～24 V，最大输出电流为2 A，输出电压范围5～28 V可调，其大小由下式所示

图3 升压稳压电路

电阻R1和R2比例决定，本设计P3处连接1 kΩ可调电阻，使其输出固定为5 V，其中UREF为0.6 V。

2.3 充电保护电路

2.3.1 充电电路

本设计选用容量高、寿命长、可多次充放电的锂电池来存储温差发电片转换的电能。一般锂离子电池标称电压3.7 V，其工作范围2.75～4.2 V。当电压低于2.75 V时，电池停止给外界设备供电，需要给锂电池充电；当充电电压达到电池的满电压4.2 V，需要自动停止充电以保护电池，保证其工作性能。其充电电路如图4 所示，TC4056A 芯片［11］是采用恒定电流／恒定电压模式工作，其输入电压范围为-0.3～8 V，最大充电电流为1 A，满充电压为4.2 V。TC4056A利用内部的MOSFET结构对锂电池进行充电管理。引脚1 为温度检测端，外接热敏电阻与电池相连，此引脚能够检测到温度的变化，调整芯片的工作状态；引脚2 经过电阻R2接地。充电电流大小：

图4 锂电池充电电路

引脚4 为输入端，此电压为内部电路工作电源；引脚5直接与电池的正极相连接；引脚6 为电池充电完成指示端；引脚7 为充电状态指示端；引脚8 为芯片使能端。当向电池充电时，引脚7 为低电平，二极管D2发光；当电池充电完成时，引脚6 的电压被内部开关拉到低电平，二极管D3发光。

2.3.2 保护电路

锂电池在实际使用中会出现过充、过放、过流及短路等情况，因此本文采用DW01FA 芯片［13］和8205A芯片［14］组成锂电池保护电路。其电路如图5 所示：DW01FA芯片内部具有电压检测、基准、延迟和短路保护电路，负责检测锂电池电压和放电电流。8205A 芯片内部由2 个N沟道增强型MOS 管（MOS 管的栅极和源极间有寄生二极管）组成，控制电路充放电。电阻R1和电容C1构成低通滤波电路，用来滤除干扰信号。R2为限流电阻，用来控制充电电流大小。

图5 锂电池保护电路

电路正常工作时，锂电池两极相当于直接与负载连接，既可以对电池充电，也可以通过负载让电池进行放电。当锂电池充电电压升高到临界值上限4.3 V时，DW01FA芯片引脚3 输出低电平，8205A芯片内部MOS管Q2截止，虽然锂电池停止充电，但其将通过MOS管Q2内部二极管放电，使其电压逐渐下降；当其低于充电临界值时，DW01FA芯片退出过充电状态，引脚3 恢复高电平，电池恢复正常状态。当锂电池放电电压低于其临界值下限2.75 V时，DW01FA芯片引脚1 输出低电平，MOS 管Q1截止，锂电池与负载断开。但其可通过8205A芯片内部二极管进行充电，锂电池电压逐渐上升。当其大于放电临界值时，DW01FA 芯片引脚1 恢复为高电平，电路恢复正常状态［15］。

2.4 负载模块

负载模块由6 颗3528 型LED 贴片灯珠和200 Ω限流电阻组成。每个LED灯珠工作电压2～2.4 V，工作电流为15～20 mA，最大功率为40 mW。

3 实验测试

3.1 性能测试

实验中采用卡达850 型热风枪作为热源，设置该热风枪的出风量为5.5 L／min，温度为400 ℃，在水槽中加水，将温差发电模块冷端用导热胶与散热塔黏贴，并将其放入水槽中散热，用导热胶将其热端与50 mm×100 mm ×2 mm 铝板粘贴连接，利用热风枪从铝板下方加热。用热电偶温度计在温差发电模块的热端和冷端分别测试其温度，用数字电压表测试其输出电压。

3.1.1 温差发电模块开路性能测试

在室温20 ℃时，得到温差发电模块开路输出电压、温差模块上下表面温度随时间变化以及输出电压和温差变化的情况如图6 所示。由图6（a）可以看出，温差发电模块的输出电压随加热时间成线性增加，在t＝100 s时，输出电压达到1.6 V之后其增加变缓，在t＝150 s后开始减小；图6（b）中上表面（加热面）温度在t＝100 s后温度随加热时间变缓，而其下表面（未加热表面）温度随加热时间成线性增加，因此使其温差在t＝100 s后增加变缓。分析原因：加热一段时间后，其上表面由于热源热量有限使得上面温度增加变缓，而下表面因温差半导体材料的热传导性使其温度增加，因此温差发电模块的温差增加幅度在t＝100 s 逐渐减缓。由图6（c）可看出，温差发电模块的输出电压随温差线性增加，在温差为49 ℃时达到峰值，随后其输出电压会出现下降。其主要原因是由于冷热端的温差减小导致，该现象验证了温差发电片的贝塞克效应，即式（1）。因此，要保证输出电压稳定，则要使温差稳定。解决的办法：一方面保证加热端热源有足够的热量，或者采取措施使下表面温度降低。目前大多数应用后者来采取措施。由图6（c）可看出，温差发电模块的温差每变化1 ℃，其输出电压可增加0.05 V 左右，即该温差发电模块的塞贝克系数α ＝0.05。

图6 温差发电模块开路性能

3.1.2 温差发电模块带负载后性能测试

图7 为在温差发电模块的输出端接负载RL＝2 Ω后测试结果。由图7（a）（b）可以看出带负载后温差发电模块输出电压减小，但其上下表面温度随时间变化与性能测试开路时相似。由图6（c）和图7（c）比较后可以看出，在相同温差下，带负载后其输出电压减小，该实验结果验证了式（3）。同时利用其实验数据能够计算出该温差发电模块的内阻。如：以两图中温差为30 ℃为例，图6（c）中其开路时输出电压E＝1.4 V，图7（c）中带负载电压Uo＝0.54 V，将该数据代入式（3），可得到该温差发电模块内阻为3.2 Ω。经过查找该类型温差发电模块手册，其内阻为3.3 Ω，其相对误差为3%。将上述数据代入式（4），得到其输出功率为0.166 W，由图7（c）估测其输出功率约为0.15 W，得到其相对误差为10.6%。

图7 带负载温差发电模块性能

3.1.3 带稳压器后输出电压性能测试

由上述性能测试可见，温差发电模块的输出电压随温度变化比较快，因此需要接入稳压器件来稳定输出电压。图8 为连接稳压器的测试结果。在图8（a）中，当温差发电模块输出电压达到1.6 V后，稳压器可将其在短时间内稳压到5 V。图8（b）中温差发电模块输出电压、上下表面温度都随加热时间线性增加，在输出电压达到1.6 V 后，其上表面温度增加变缓。图8（c）为输出电压在温差为27 ℃后被稳压到5 V。

图8 带稳压器输出性能

3.1.4 稳压器带负载后性能测试

在稳压器连接LED负载后，分别测量温差发电模块输出电压和上下表面温度在加热过程中随时间变化的曲线如图9 所示。由图9 可见，温差发电模块输出电压、上下表面温度、温差及稳压芯片MT3608 输出电压都随时间逐渐线性增加，在输出电压达到1.6 V后，其输出电压增加变缓，同时其LED输出象相似。将图6（c）和图9（c）进行对比发现，温差发电模块在开路和稳压器等情况下其输出电压和电压增加到2.5 V并保持不变。实验过程的现象：在温差发电模块输出电压达到1.6 V后二极管开始发出微弱的光，随后其亮度急剧增加，并当继续加热时其亮度保持不变。图9（c）为温差发电模块输出电压随温差变化趋势，其变化趋势与（1）（2）测试性能相似，说明其输出电压只和其上下表面温差有关系，该关系验证了塞贝克效应。其与图7（c）相比只是输出电压大小减小而变化趋势相似，这主要是由于温差发电模块内阻分压导致。

图9 稳压器带负载后输出性能测试

3.2 温差发电模块转换效率分析

温差发电模块的转换效率是指其输出功率与温差发电模块从高温热源吸收热量的比值。按照3.1 节分析，当温差发电模块接负载电阻RL＝2 Ω 时，以温差为30 ℃（此时热面温度为50 ℃）进行其转换效率理论分析，由4.1 节得到温差发电模块的塞贝克系数α＝0.05，内阻r＝3.2 Ω，假设其导热系数λ ＝1.3，将所有数据代入式（10），得到其能量转换效率率约为4.2%。由于温差发电模块从高温热源吸收热量Qh在实际中比较难测试，本文在计算其实际转换效率时仍用上述理论计算的数据，而输出功率利用实际测试的数据，得到其转换效率约为3.5%。由于温差发电模块从高温热源吸收热量要比理论多很多，同时再考虑稳压器和充电保护电路中能量的损耗，实际中其热电转换效率要低很多。如果再考虑热风枪等热源能量在加热过程中会有大量的损失，因此实际温差发电模块的热电转换效率会更低。但作为在野外无电的特殊情况下，该装置作为应急电源具有一定的实际应用价值。

3.3 作为充电设备测试

将开关K接通充电时，温差发电模块输出电压通过充电保护电路对锂电池充电，此时充电显示二极管D1发光，当充电后输出电压为4.2 V，充电充满显示二极管D2发光，可实现对锂电池保护。选18650锂电池作为充电电池，对于电压为2.7 V的锂电池，需要135 min充到4.2 V。另外，当外界不具有温差发电模块工作条件时，该充电电池可作为能源为负载供电。

4 结语

通过实验测试便携式温差发电系统中温差发电模块在开路、接稳压器及其负载等情况下，其输出电压分别随时间和温差变化特点，验证了温差发电模块的塞贝克效应，对其转换效率进行了测试和分析，并测试其作为充电设备时充电性能。该系统具有结构简单、无噪音、便于携带、使用寿命长等优点，该装置在高寒、边远山区或野外等无供电情况下，可将燃烧物燃烧的热能转化为电能为其他用电设备提供电源，能解决使用者的燃眉之急，其在实际生活中具有一定应用价值。