基于LTC3108的電焊熱能收集轉(zhuǎn)換裝置的研究

齊鳳河，胡家旺，熊春宇

(1.大慶師范學(xué)院 物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712；2.大慶石化公司 熱電廠，黑龍江 大慶 163714)

0 引言

電焊作業(yè)時(shí)，焊點(diǎn)處溫度能達(dá)到幾千攝氏度，即使被焊接的鋼體體積和面積很大，電焊作業(yè)時(shí)被焊接的鋼體材料也有很高的溫度。通常，電焊時(shí)產(chǎn)生的這部分熱量都是自然的散失，沒有加以回收利用，造成浪費(fèi)。為了能合理回收利用電焊作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的大量的熱量，本文以塞貝克效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，采用半導(dǎo)體溫差發(fā)電的原理，將電焊時(shí)產(chǎn)生的熱量加以回收，轉(zhuǎn)換成電能再利用。

1 熱能收集轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)

熱能收集轉(zhuǎn)換裝置主要包括熱電轉(zhuǎn)換模塊和LTC3108升壓轉(zhuǎn)換模塊兩部分構(gòu)成，其電路原理圖如圖1所示。

圖1 熱能收集轉(zhuǎn)換裝置電路原理圖

1.1 溫差發(fā)電

溫差發(fā)電又叫熱電發(fā)電，是一種綠色環(huán)保的發(fā)電方式。溫差發(fā)電技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用，無運(yùn)動部件，無噪聲，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)?？梢院侠砝锰柲?、地?zé)崮?、工業(yè)余熱廢熱等低品位能源轉(zhuǎn)化成電能。溫差發(fā)電技術(shù)的研究最早開始于20世紀(jì)40年代[1]。

1.1.1 塞貝克效應(yīng)

溫差發(fā)電模塊利用的是半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)包括三個(gè)基本效應(yīng)：塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)和湯姆遜效應(yīng)[2-3]。這三個(gè)效應(yīng)通過開爾文關(guān)系式聯(lián)系在一起。熱電效應(yīng)還伴隨產(chǎn)生了其他效應(yīng)如：焦耳熱效應(yīng)和傅里葉效應(yīng)。

在溫差發(fā)電中，主要利用了溫差電材料的塞貝克效應(yīng)。在由兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路中，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中有熱電流產(chǎn)生，這就是塞貝克效應(yīng)，如圖2所示。不同材料a、b兩端節(jié)點(diǎn)存在溫差ΔT，便會產(chǎn)生塞貝克電勢ε。

ε=αS(T2-T1)

式中：T1為低溫端溫度，單位K；T2為高溫端溫，單位K；αS為所用熱電轉(zhuǎn)換材料的塞貝克系數(shù)，單位V/K。

1.1.2 溫差發(fā)電的原理

溫差發(fā)電是基于熱電材料的塞貝克效應(yīng)發(fā)展起來的一種發(fā)電技術(shù)，將P型和N型兩種不同類型的熱電材料(P型是富空穴材料，N型是富電子材料)一端相連形成一個(gè)PN結(jié)，如圖3所示，置于高溫狀態(tài)，另一端形成低溫，則由于熱激發(fā)作用，P(N)型材料高溫端空穴(電子)濃度高于低溫端，因此在這種濃度梯度的驅(qū)動下，空穴和電子就開始向低溫端擴(kuò)散，從而形成電動勢，這樣熱電材料就通過高低溫端間的溫差完成了將高溫端輸入的熱能直接轉(zhuǎn)化成電能的過程[4]。單獨(dú)的一個(gè)PN結(jié)，可形成的電動勢很小，而如果將很多這樣的PN結(jié)串聯(lián)起來，就可以得到足夠高的電壓，成為一個(gè)溫差發(fā)電器。

圖2 塞貝克效應(yīng)示意圖

圖3 溫差發(fā)電原理示意圖

1.2 LTC3108升壓轉(zhuǎn)換模塊

1.2.1 LTC3108的結(jié)構(gòu)

LTC3108是一款高度集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器，非常適合于收集和管理來自諸如TEG(熱電發(fā)生器)、熱電堆和小型太陽能電池等極低輸入電壓電源的剩余能量。該器件所采用的升壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可在輸入電壓低至20mV的情況下正常工作。

LTC3108采用一個(gè)內(nèi)部MOS開關(guān)，一個(gè)外接變壓器和一個(gè)小的耦合電容形成一個(gè)振蕩器，能夠?qū)?0mV的電壓放大到2.2V、2.35V、3.3V、4.1V和5V多種輸出電壓，為微處理器、傳感器和無線模塊等器件提供穩(wěn)定電源。

1.2.2 LTC3108的輸出

LTC3108具有多個(gè)電壓輸出端，可以提供不同的供電模式。具體如下：

VLDO：2.2V穩(wěn)壓輸出。使用時(shí)需要與地之間接一個(gè)2.2uF或者更大的電容器提高穩(wěn)定性，可提供的最小電流為4mA。

VOUT：主輸出。輸出電壓可由VS1和VS2進(jìn)行設(shè)置，輸出四種不同電壓模式，如表1所示。

表1 主輸出電壓設(shè)置表

VOUT2：開關(guān)輸出，輸出電壓同主輸出，可由主微處理器采用VOUT2_EN引腳來控制其接通和關(guān)斷。當(dāng)被使能時(shí)，VOUT2通過一個(gè)P溝道MOSFET開關(guān)與負(fù)載相連。該輸出可用于為諸如傳感器或放大器等不具備低功率睡眠或停機(jī)功能的外部電路供電。當(dāng)不被使用時(shí)，此管腳應(yīng)懸空或是與VOUT相連。此輸出最大輸出電壓為0.3A。

VSTORE：能量存儲。VSTORE腳可以外接非常大的電容(幾千PF甚至幾F)，以便在失去輸入電源的時(shí)候提供保持作用。一旦上電操作完成，則主輸出、穩(wěn)壓輸出和開關(guān)輸出均可使用。如果輸入電源發(fā)生故障，則操作仍然能夠借助VSTORE腳的外接電容器的供電而得以持續(xù)。VSTORE輸出可用于在VOUT達(dá)到穩(wěn)壓狀態(tài)之后對一個(gè)大存儲電容器或可再充電電池進(jìn)行充電。在VOUT達(dá)到穩(wěn)壓狀態(tài)以后，允許VSTORE輸出充電電壓(該電壓被箝位于5.3V)。VSTORE上的電能存儲元件不僅能夠在失去輸入電源的情況下用于給系統(tǒng)供電，而且還能夠在輸入電源所具備的能量不足時(shí)用于補(bǔ)充VOUT、VOUT2和VLDO輸出所需要的電流。

PGD：正常輸出電壓指示。當(dāng)主輸出的電壓誤差在規(guī)定值的7.5%以下時(shí)，PGD管腳通過一個(gè)10MΩ的上拉電阻和VLDO相連，輸出高電平。如果主輸出的電壓誤差超過規(guī)定的值的9%，PGD管腳輸出低電平。

2 系統(tǒng)可行性分析

將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在熱端連接，則在冷端可得到一個(gè)電壓，一個(gè)PN連結(jié)所能產(chǎn)生的電動勢有限，將很多個(gè)這樣的PN連結(jié)串聯(lián)起來就可得到足夠的電壓，然后將串聯(lián)PN結(jié)并聯(lián)，得到足夠的電流，成為一個(gè)溫差發(fā)電機(jī)。這樣的溫差發(fā)電機(jī)完全沒有轉(zhuǎn)動部分，因此非?？煽俊Ｓ捎诒疚牟捎肔TC3108低輸入電壓升壓轉(zhuǎn)換模塊，在輸入電壓高于20mV情況下就可以正常工作，輸出電壓可以給微處理器、傳感器供電；再加上電焊時(shí)被焊鋼體溫度非常高，能產(chǎn)生非常大的冷熱溫差。因此，半導(dǎo)體串聯(lián)數(shù)量不需要很多，這樣可以在有限的面積內(nèi)放置足夠的并聯(lián)PN結(jié)，以滿足所需電流要求。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于溫差發(fā)電和LTC3108低輸入電壓升壓轉(zhuǎn)換模塊的電能收集充電器。該裝置可以收集電焊工作時(shí)產(chǎn)生的大量熱量，將熱量轉(zhuǎn)換為電能，為微處理器和傳感器供電，變廢為寶，節(jié)能環(huán)保，具有良好的推廣和使用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

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