一種溫差發(fā)電式激光指示器設(shè)計(jì)

劉洋 陳卓

摘要 激光指示器是一種使用廣泛的激光手握筆型發(fā)射器，針對(duì)目前激光指示器供電電源容量有限、耐用度低等問題，設(shè)計(jì)了一種溫差發(fā)電式激光指示器，利用熱電材料的賽貝克效應(yīng)和碳納米管薄膜熱電發(fā)電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電流用于激光二極管的供電，設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)以維持發(fā)電結(jié)構(gòu)兩端的溫差，通過升壓穩(wěn)壓電路產(chǎn)生穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì)，從而提高裝置工作的可靠性。

【關(guān)鍵詞】溫差發(fā)電 碳納米管薄膜 激光指示器 升壓穩(wěn)壓電路

激光指示器是一種可見激光手握筆型發(fā)射器，可以投映出一個(gè)光點(diǎn)或一條光線指向物體以增強(qiáng)演示效果，因其體積小、用途廣、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，成為一種在教學(xué)、辦公和旅游場(chǎng)所經(jīng)常使用的便攜式電子設(shè)備。目前激光指示器的供電電源主要是普通一次性堿性電池和可充電鋰電池，存在容量有限、壽命短、長(zhǎng)期放置電能自然耗光等弊端，這些問題極大地影響了激光指示器的耐用度，此外廢舊電池的丟棄排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染?；谝陨蠁栴}，為滿足激光指示器日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，需要為之提供一種長(zhǎng)效穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保且方便充電的電源。

熱電材料是一種可實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料，具有污染小、無噪音、性能可靠，使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)其兩端存在一定溫差時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，即產(chǎn)生“塞貝克效應(yīng)”，基于該效應(yīng)的而發(fā)展的溫差發(fā)電技術(shù)在航天探索、工業(yè)余熱回收和電子器件開發(fā)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，此技術(shù)也可以應(yīng)用在激光指示器的電源設(shè)計(jì)上來解決上述問題。

基于以上背景，本項(xiàng)目結(jié)合手握式激光筆指示器的使用特點(diǎn)，通過碳納米管薄膜熱電發(fā)電結(jié)構(gòu)，利用溫差發(fā)電效應(yīng)產(chǎn)生電流用于激光二極管的供電，并設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)以維持發(fā)電結(jié)構(gòu)兩端的溫差，通過升壓穩(wěn)壓電路產(chǎn)生穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì)，提高裝置工作的可靠性。

1 裝置整體設(shè)計(jì)

該溫差發(fā)電式激光指示器由碳納米管薄膜熱電發(fā)電結(jié)構(gòu)、升壓穩(wěn)壓電路和散熱結(jié)構(gòu)組成。碳納米管熱電單元串聯(lián)成圓柱體薄膜式熱電發(fā)電結(jié)構(gòu)，其熱端位于手握位置，與外殼的間隙中填充導(dǎo)熱硅脂以降低熱阻，增大導(dǎo)熱率，冷端通過散熱結(jié)構(gòu)和外殼與空氣接觸，冷熱兩端通過導(dǎo)線連接升壓穩(wěn)壓電路和激光二極管。當(dāng)環(huán)境與手心存在溫差時(shí)，發(fā)電結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生電流供給電路模塊，從而使激光二極管正常工作，裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 碳納米管薄膜熱電發(fā)電結(jié)構(gòu)

2.1 熱電發(fā)電原理

熱電材料是一種可實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料，這種熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)來源于材料內(nèi)部載流子的分布和運(yùn)動(dòng)特性。當(dāng)外部溫度均勻分布時(shí)，材料內(nèi)部載流子的分布也是均一的;當(dāng)材料兩端存在一定的溫度差時(shí)，熱端和冷端的載流子的能量也存在差異，在材料內(nèi)部形成載流子從熱端到冷端的擴(kuò)散，在載流子自建電場(chǎng)的作用下，這種擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定并產(chǎn)生穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì)，以上現(xiàn)象稱為“賽貝克效應(yīng)”。通過將一塊n型半導(dǎo)體和一塊p型半導(dǎo)體連接形成熱電材料，當(dāng)材料兩端存在溫差時(shí)，由于賽貝克效應(yīng)產(chǎn)生的載流子可在閉合回路上流動(dòng)，從而維持材料冷熱兩端穩(wěn)定的電壓。

2.2 碳納米管薄膜熱電發(fā)電結(jié)構(gòu)

碳納米管是由石墨碳原子構(gòu)成的直徑為納米量級(jí)的空心圓柱管狀結(jié)構(gòu)，具有低密度、高強(qiáng)度、高韌性、熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性好等特點(diǎn)。通過多個(gè)n型和p型碳納米管熱電發(fā)電單元串聯(lián)構(gòu)成碳納米管薄膜，當(dāng)其冷熱兩端存在溫度差時(shí)內(nèi)部因熱流流動(dòng)形成溫度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生

碳納米管薄膜熱電發(fā)電結(jié)構(gòu)主體部分由碳納米管熱電發(fā)電單元通過電串連、熱并聯(lián)的方式連接而成，碳納米管薄膜附著在柔性基底上，薄膜兩端蒸鍍一定厚度的純銅作為電極，并通過銀膠連接導(dǎo)線向外輸出電信號(hào)。用手掌握持熱端，熱氣流流過碳納米管薄膜表面，通過熱傳導(dǎo)和自然對(duì)流換熱等熱傳輸過程，薄膜兩端產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)由導(dǎo)線輸出電流。

3 升壓穩(wěn)壓電路

碳納米管薄膜熱電發(fā)電結(jié)構(gòu)兩端的溫差變化時(shí)，其輸出的電壓也是不穩(wěn)定的，為了保證激光二極管的正常工作，設(shè)計(jì)了一種基于Boost拓?fù)湓淼纳龎悍€(wěn)壓電路，該電路具有輸入電流連續(xù)，效率高，功耗小，以及功率因數(shù)高、諧波失真小和升壓速度快等特點(diǎn)。

如圖2所示，該電路由振蕩電路和穩(wěn)壓電路構(gòu)成，其中三極管Q1、Q3和電容C1構(gòu)成振蕩電路，三極管Q2、整流二極管D1和穩(wěn)壓二極管D2構(gòu)成可輸出穩(wěn)定電壓的穩(wěn)壓電路，電感L1作為儲(chǔ)能電感，電容C2作為濾波電容，R2作為與激光二極管LED1串接的限流電阻。依據(jù)Boost拓?fù)湓恚?dāng)Q1和Q2處于通態(tài)時(shí)，碳納米管薄膜熱電發(fā)電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電壓U1并作為電源V1向電感L1充電，充電電流基本恒定為I，同時(shí)電容C2上的電壓向激光二極管LED1供電，由于C2容值較大，可保持激光二極管上輸出電壓U0，該階段電感L1上儲(chǔ)存的能量為U1It1;當(dāng)Q1和Q2處于斷態(tài)時(shí)，電源V1向電感L1同時(shí)向電容C2充電，并向激光二極管提供能量，該階段電感L1上釋放的能量為（UO-Ul）lt2，電路處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，由于電感L在一個(gè)電路周期中積蓄的能量與釋放的能量相等，即

通過上述電路通斷過程中電感元件的能量傳遞作用和電容元件的儲(chǔ)能作用，可將碳納米管薄膜熱電發(fā)電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行升壓和穩(wěn)壓作用，輸出電壓約等于齊納二極管D2的穩(wěn)壓值。

4 散熱結(jié)構(gòu)

裝置內(nèi)部熱量流動(dòng)如圖3所示，由于裝置體積小，不宜采用水冷、風(fēng)冷等散熱裝置，同時(shí)結(jié)合裝置密封、防水的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該部分設(shè)計(jì)為自然對(duì)流散熱方案。由熱流路徑圖可知熱電發(fā)電結(jié)構(gòu)冷端穩(wěn)態(tài)溫度的保持取決于以下3個(gè)方面：熱端與冷端之間的輻射能量、散熱器的熱傳導(dǎo)能力和裝置外殼的對(duì)流、輻射能力，熱端與冷端間的輻射能量與材料的固有屬性有關(guān)，現(xiàn)可通過選用合適的散熱器和外殼材料，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來散熱。

提高散熱器的導(dǎo)熱能力需要選用厚度較薄、熱導(dǎo)率較高的材料，鋁合金材料可以滿足散熱性能和經(jīng)濟(jì)性能的要求。針對(duì)散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、高效吸熱的蜂巢模型來構(gòu)建，原因是在蜂巢散熱器模型中存在著“煙囪效應(yīng)”，該效應(yīng)強(qiáng)化了自然對(duì)流，進(jìn)而提高散熱效率。

發(fā)電結(jié)構(gòu)冷端的熱量經(jīng)散熱器傳導(dǎo)后全部由激光指示器外殼吸收，通過對(duì)流和輻射將熱量散發(fā)到外部環(huán)境中，增大表面輻射率是自然散熱條件下最為有效的降低溫度的方法，冷端部分外殼也采用上述鋁合金，加入表面涂鍍?nèi)鐕娖?、鉻酸鹽鈍化處理等工藝，在提高散熱效率的同時(shí)也增加了產(chǎn)品耐腐蝕性和美觀性。

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