小型化溫差發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

電子科技大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué) 何 奕

電子科技大學(xué) 黃文靈 陳志祥 胡曉東 陳定輝

1 引言

自1821年，Seebeck發(fā)現(xiàn)塞貝克效應(yīng)以來，國內(nèi)外對(duì)溫差發(fā)電這種綠色能源技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并取得了多方面的應(yīng)用[1][2][3]。與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，溫差發(fā)電技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動(dòng)部件、工作時(shí)無噪聲、無廢棄物的排放等一系列優(yōu)點(diǎn)[4,6]，是一種環(huán)境友好型的發(fā)電方式。半導(dǎo)體材料優(yōu)異的熱電轉(zhuǎn)換性能使之成為溫差發(fā)電材料的首選。隨著材料技術(shù)和制作工藝的進(jìn)步，在一些較廉價(jià)的高性能材料研究方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步[7]。

盡管溫差發(fā)電效率目前只有約 5%～7%，但對(duì)于微功耗的傳感器或傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用周圍環(huán)境的熱能通過熱電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)自主供電卻是很好的解決方案。

本文針對(duì)該應(yīng)用設(shè)計(jì)了一個(gè)小型化溫差發(fā)電系統(tǒng)。基于TES112703型號(hào)的溫差發(fā)電片，合理布局電源管理系統(tǒng)和系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，得到了結(jié)構(gòu)緊湊的小型化溫差發(fā)電系統(tǒng)。

2 溫差發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫差發(fā)電系統(tǒng)是基于環(huán)境溫度來實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電的，如化工管道的熱態(tài)流液，長距離石油管道中輸送的加熱原油，水暖管道的熱水以及其它工業(yè)環(huán)境中的固態(tài)熱源等等。溫差發(fā)電的發(fā)電片一端貼合在熱源上，發(fā)電片的另一面需要一個(gè)散熱機(jī)構(gòu)，使發(fā)電片兩端的溫差盡量大，以期達(dá)到制冷片冷熱端盡量大的溫差。

實(shí)用的溫差發(fā)電模塊一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。它包含于三個(gè)部分：1：金屬集熱件、2：半導(dǎo)體發(fā)電片、3：金屬散熱件。

2.1 溫差發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文選用的溫差發(fā)電片TES112703型，其幾何尺寸為30×30×3.7mm。在系統(tǒng)裝配設(shè)計(jì)上，溫差發(fā)電片與熱端和冷端的金屬模塊貼合時(shí)，在金屬面和發(fā)電片陶瓷基板面上涂抹導(dǎo)熱硅脂來保證熱量的良好傳導(dǎo)，并在溫差發(fā)電片周圍增加一個(gè)耐熱性能優(yōu)良的PEEK（聚醚醚酮）材料塑料框加以固定，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖1 溫差發(fā)電模塊示意圖

圖2 溫差發(fā)電系統(tǒng)俯視圖和側(cè)視圖

圖3 溫差發(fā)電系統(tǒng)電源管理電路原理圖

金屬集熱件上預(yù)留出與熱源裝配的空間，方便其與熱源通過螺絲固定。同時(shí)在金屬集熱件與金屬散熱件之間預(yù)留空間，將電源管理系統(tǒng)固定在兩者之間，形成小型化的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。下圖2為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的俯視圖和側(cè)視圖。其中a為溫差發(fā)電系統(tǒng)俯視圖 ，b為溫差發(fā)電系統(tǒng)側(cè)視圖（1、散熱體，2、發(fā)電片，3、電源管理電路，4、集熱體）。

2.2 溫差發(fā)電系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了系統(tǒng)的小型化及節(jié)能，散熱機(jī)構(gòu)采用自然對(duì)流散熱。自然對(duì)流散熱系數(shù)一般在3～5（Kcal/m2.h.℃）左右[8]。散熱方式十分依賴散熱面積，散熱面積越大，散熱效果越好。散熱面積增大會(huì)帶來系統(tǒng)成本過高，體積過大的問題。為增大散熱面積，采用細(xì)長針狀散熱結(jié)構(gòu)，并通過ANSYS仿真設(shè)計(jì)，確定針邊長2mm、針間距3mm、針尖長度15mm為比較理想的散熱結(jié)構(gòu)。

3 基于LTC3108的電源管理電路設(shè)計(jì)

本文采用的LTC3108芯片作為溫差發(fā)電系統(tǒng)電源管理芯片。通過改變VS1和VS2兩管腳與GND和VAUX之間的連接關(guān)系，可得到2.35V、3.3V、4.1V、5V四個(gè)檔位的電壓輸出，滿足不同低電壓應(yīng)用的需要。電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

U1為電源管理芯片；C6為儲(chǔ)能電容，儲(chǔ)存發(fā)電系統(tǒng)的電能，供用電器使用；U2為10芯接插件，為系統(tǒng)的外圍提供接口；R1和R2兩個(gè)熱敏電阻，可對(duì)發(fā)電片冷熱端面溫度實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

為實(shí)現(xiàn)小型化，電源管理PCB電路嵌入到系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，如圖2所示。PCB電路尺寸為40 mm×15mm。電源管理電路PCB版圖的正面幾背面元件布局圖如圖4所示。

圖4 電源管理電路PCB版圖正面幾背面圖面

4 溫差發(fā)電系統(tǒng)測試與分析

對(duì)制作的小型化溫差發(fā)電系統(tǒng)做測試，溫差發(fā)電系統(tǒng)及其測試裝置如圖5所示。

圖5 溫差發(fā)電系統(tǒng)及其測試裝置圖

將溫差發(fā)電系統(tǒng)的集熱體面放置在熱板上，通過調(diào)節(jié)熱板溫度，測試制冷片冷熱端的溫差和系統(tǒng)輸出功率。溫差隨熱端面溫度變化曲線，如圖6所示。測試結(jié)果和散熱效果仿真模擬結(jié)果非常接近。

在外接20Ω負(fù)載的條件下，測試不同溫差下每一個(gè)檔位電壓的溫差與輸出電流和輸出功率之間的關(guān)系，測試結(jié)果如圖7所示。

同一溫差下不同電壓輸出對(duì)應(yīng)不同的輸出功率，電壓越高，輸出功率就越高，同時(shí)負(fù)載電壓和電流相應(yīng)提高。溫差越大，電源管理系統(tǒng)輸出功率越大，在60℃溫差下、5V檔位達(dá)到2.31mW的輸出功率。測試表明：該小型化溫差發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在足夠溫差的環(huán)境下，輸出功率可以為小型充電設(shè)備充電，或?yàn)樾⌒陀秒娖魅缥⑻幚砥?、傳感器和無線模塊供電。

圖6 實(shí)測溫差與仿真溫差對(duì)比曲線

圖7 電源管理系統(tǒng)輸出功率、負(fù)載電壓、負(fù)載電流和溫差的關(guān)系曲線

5 總結(jié)

本文通過機(jī)械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的巧妙設(shè)計(jì)，制作了一個(gè)小型化溫差發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)通過電源管理實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出、儲(chǔ)能和溫度監(jiān)控等功能。對(duì)該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試表明：溫差發(fā)電系統(tǒng)的散熱效果與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果相近；在一定溫差下，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出，是微功耗系統(tǒng)理想的自供能系統(tǒng)。

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[3]欒偉玲,涂善東.溫差點(diǎn)擊數(shù)的研究進(jìn)展[J].科學(xué)通報(bào),2004, 23(6):15-17.

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