温差发电器的设计

本文由baihe285贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。电子技术设计与运用ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＤｅｓｉｇｎ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ电子技术温差发电器的设计杨桂林（菏泽学院机电工程系）摘要：温差发电器是一种利用大自然中广泛存在的温差进行发电的装置。温差发电器主要由半导体温差发电模块和控制器两部分组成，半导体温差发电模块将热能转化为电能，并通过充电电路将电能储存在蓄电池中；控制器主要完成限流、欠压保护功能。同时，还设计了升压电路，从而使温差发电器输出较高的电压。关键词：温差；发电模块：控制器ＤｅｓｉｇｎｏｆＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＧｅｎｅｒａｔｏｒＹａｎｇＧｕｉｌｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｚｅ（Ｄｅｐｔ．ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｎｅｒａｔｏｒｉｓａｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅｕｓｉｎｇｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ嗵ｄｅｌｙｅｘｉｓｔｅｄｉｎｎａｔｕｒｅ．Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｎｅｒａｔｏｒｉｓｍａｉｎｌｙｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｍｏｄｕｌｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｍｏｄｕｌｅｉｓａｂｌｅｔｏｃｏｎｖｅｒｔｈｅａｔｅｎｅｒｇｙｉｎｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙ，ａｎｄｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙｉｓｓｔｏｒｅｄｉｎｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｖｉａｔｈｅｃｈａｒｇｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｈａｓｍａｎｙｆｕｎｃｔｉｏｎｓｓｕｃｈ嬲ｃｕｒｒｅｎｔｌｉｍｉｔｉｎｇ．ｕｎｄｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｓｔｅｐ－ｕｐｃｉｒｃｕｉｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｉｎｔｈｉｓｗａｙ，ｔｈｅｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｎｅｒａｔｏｒｉｓａｂｌｅｔｏｏｕｔｐｕｔｈｉｇｈｅｒｖｏｌｔａｇｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ；ｐｏｗｅｒｍｏｄｕｌｅｓ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ０引言资源短缺是人类共同面临的棘手问题。据测算，地球上的煤可供开采１００’１５０年，天然气可供开采５０’６０年，石油可供开采３０’４０年，其中石油稳定供给不超过２０年。随着环保意识的加强，以及对传统能源未来中间匮缺的担心，充分利用现有资源和开发新能源日益受到人们的关注。为此，我们对温差发电器进行了研究、设计。温差发电将热能直接转化为电能，即使只存在微小温差的情况下也能应用，是适用范围很广的绿色环保型能源一它甚至能利用人的体热，为各种便携式设备供电，真正做到”变废为宝”。温差发电器工作时无噪音、无污染，使用寿命超过十年，免维护，可广泛用于油田、野外、军事等领域。同时温差发电器还可以应用于太阳能、地热、工业废能等领域，使热能直接转化为电能。另外，半导体发电模块体积小、重量轻、便于携带，可广泛用于小家电制造、仪器仪表、玩具及旅游业。因此，研究、设计温差发电器在节约资源、充分利用资源等方面都具有十分重要的意义。１系统的结构框图温差发电器主要由半导体温差发电模块和控制器两部分组成。其中控制器包括升压电路、保护电路等，其结构［１?２】如图１所示。半导体温差发电模块的示意图如图２所示。图２温差发电模块示意图经反复实验测定的有关温差发电模块的具体参数如表ｌ所示。表１温差发电器的具体参数参数单位ＡＶ数值２．７３．７００７４０士０５电流电压表面电阻宽度ｎ长度厚度厚度负偏差４０士０５，．Ｓ：ｔｏ５匪蕊田岖亚ｐ匝｝囹Ｉ－．４１Ｉ沮差发电模块｝－＋｜充电电路Ｈ蓄电洁｝－卅升压电路图ｌ温差发电器的结构框图１匦蛔控嗣暑Ｈ负载ｌＥｓ＝ａＡＴ■■＿■■＿■■ｏ…●■＿■●■■一■＿＿＿一平行偏差导线长度截面面积焰点温度℃０．０５１５０Ｏ．３８１８３２．２充电电路由温差发电模块输出的电压经电容Ｃ１滤波后，通过电感Ｌｌ、整流二极管Ｄ１给蓄电池充电，其电路［６］如图３所示，经电容Ｃ３滤波将电能储存在蓄电池中。●＾＋２电路组成及工作原理２．１温差发电模块半导体温差发电模块是根据塞贝克效应制成的，即把两种半导体的接合端置于高温，处于低温环境的另一端就可得到电动势［３－５］：式中：口为塞贝克系数，其单位为Ｖ／Ｋ。０ｔ是由材料本身的电子能带结构决定的。■＾一ｌ电■一ｌ电■＋万方数据电子技术设计与运用ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＤｅｓｉｇｎ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ电子技术２．３升压电路当温差发电模块两侧温差较低时，产生的电势差较低。为防止这种情况，在控制器中设计了由ＰＴｌ３０１及其外围电路组成的升压电路，通过调节电阻Ｒ２和Ｒ３的值，可将温差发电模块产生的较低的直流电压转化成较高的２００５，２６（１２）：２４４０—２４４３．［４］贾磊，胡艽，陈则韶．温差发电的热力过程研究及材料的塞贝克系数测定［Ｊ］．中国工程科学，２００５，７（１２）：３１—３４．直流电压，ｖｏ＝１．２５ｘ（１＋鲁）ｙ，其电路［７－９］如图４所示。Ｋ３２．４控制器电路［５］屈健，李茂德，乐伟，等．半导体温差发电器的工作性能优化［Ｊ］．低温工程，２００５，１４４（２）：２０—２３．［６］孙肖子，张企民．模拟电子技术基础［Ｍ］／／西安：西安电子科技大学出版社，２００６，１０－１９，１１２－１３６，３８３－３９６，４９２—５４７．［７３黄正瑾．电子设计竞赛赛题解析［Ｍ］／／南京：东南大学出版社，２００３，４２—５８．［８］马建国，等．电子系统设计［Ｍ］／／北京：高等教育出版社，２００６，３５—９２．Ｅ９］贾立新，王涌，等．电子系统设计与实践［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００７，１２０－１７２．作者简介：杨桂林（１９７８一），男，硕士，讲师，研究方向：先进制造技术及智能控制。Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]联系电话：[phone]基金项目：菏泽学院科学研究基金项目资助课题（Ｎｏ．ＸＹ０９ＪＸＯＩ）附录：１．温差发电器实物图如下图所示。圈４升压电路为保证温差发电器能可靠稳定地工作，我们设计了欠压、限流保护电路，其电路［７－９］如图５所示。当蓄电池的电压低于３ｖ或负载电流高于０．１Ａ时，晶体管Ｑ２截止，蓄电池就停止对外供电，从而有效地保护了电路。３结论半导体温差发电器，是一种利用温差直接将热能转化为电能的全固态能量转化发电装置，它无需化学反应且无机械移动部分，因而具有无噪音、无污染、无磨损、重量轻、使用寿命长等优点。被广泛地用于工业余热、废热的回收利用，航天辅助电力系统等。随着能源的短缺及人们环境保护意识的不断提高，特别是全球气候变暖问题，半导体温差发电技术以其种种优点越来越引起人们的关注。因此温差发电器具有很好的推广和实用价值。参考文献：［１］林玉兰，吕迎阳，梁广，等．基于半导体温差发电模块的锂电池充电装置［Ｊ］．电源技术，２００６（１）：３８—４３．［２］李伟江，李玉东，腊冬。等．低温差下半导体温差发电器分析［Ｊ］．能源技术，２００６，２７（５）：１９８－２０１．［３］李茂德，屈健，李玉东，等．接触效应对小型半导体温差发电器性能的影响［Ｊ］．半导体学报．２．该产品在２００８年山东省机电产品创新设计竞赛中获得一等奖万方数据４０温差发电器的设计作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：杨桂林，YangGuilin菏泽学院机电工程系电子技术ELECTRONICTECHNOLOGY2010，37(1)0次参考文献(9条)1.林玉兰.吕迎阳.梁广.陈忠基于半导体温差发电模块的锂电池充电装置[期刊论文]-电源技术2006(1)2.李伟江.李玉东.腊冬.秦伟.李茂德低温差下半导体温差发电器(火用)分析[期刊论文]-能源技术2006(5)3.李茂德.屈健.李玉东.李伟江接触效应对小型半导体温差发电器性能的影响[期刊论文]-半导体学报2005(12)4.贾磊.胡芃.陈则韶温差发电的热力过程研究及材料的塞贝克系数测定[期刊论文]-中国工程科学2005(12)5.屈健.李茂德.乐伟.林泉半导体温差发电器的工作性能优化[期刊论文]-低温工程2005(2)6.孙肖子.张企民模拟电子技术基础20067.黄正瑾电子设计竞赛赛题解析20038.马建国电子系统设计20069.贾立新.王涌电子系统设计与实践2007相似文献(10条)1.期刊论文林玉兰.吕迎阳.梁广.陈忠.LINYu-lan.LVYing-yang.LIANGGuang.CHENZhong基于半导体温差发电模块的锂电池充电装置-电源技术2006,30(1)研究了半导体温差发电模块输出电压/输出功率与冷热面温度差的关系,并搭建了利用半导体温差发电模块产生的电能作为能量的一种锂离子蓄电池充电装置.首先在实验的基础上,讨论温度差和半导体温差发电模块输出电压及输出功率的关系;然后设计了利用3片温差发电模块工作在温差150K下输出14～20V不稳定的电源.根据温差发电模块输出电压不稳定的特点,设计了一个稳压电路.最后,用MAX1679芯片实现4.2V锂离子蓄电池的充电电路,该电路具有预充功能,并且完成快充后进入脉冲充电阶段,既能实现完全充电又能减小持续大电流充电造成的损耗.2.学位论文李伟江低温差下半导体温差发电模块性能分析与实验研究2007半导体温差发电器是基于塞贝克效应的一种可以将热能直接转换成电能的装置。半导体温差发电器作为一种特殊的能量转化方式，有其独特的优点，特别适合用于对低温差能量的回收利用。本文对半导体温差发电器的工作过程进行了火用分析，提出了用火用效率作为低温差下半导体温差发器工作性能的评价参数。并对半导体温差发电模块的工作性能进行了分析，主要考虑了电偶臂的几何尺寸、接触效应和汤姆逊效应对其工作性能的影响。由于接触效应的影响，温差发电器的工作效率将随温差电偶臂长度的减小而降低，而且接触效应影响越显著，工作效率降低的就越迅速。汤姆逊效应对输出功率有所影响，但并不影响取得最大输出功率时，负载电阻的匹配条件，降低冷端温度有利于减小汤姆逊效应对最大输出功率的影响。在单级温差发电模块的基础上，在内外均不可逆的情况下，建立了二级温差发电模块的工作模型，得到了其性能参数的表达式，主要分析了二级温差发电模块两级电偶臂对数的比例关系，指出了和二级半导体制冷过程的不同之处。从熵产的角度，以熵产最小化方法，分析了三种工作模型的温差发电器的熵产。在理论分析的基础上，进行了实验研究。搭建了半导体温差发电的小型试验台，实验中对温差发电模块分别采用了串联和并联的连接方式，分析了半导体温差发电模块性能参数的测试方法。实验得到了不同工况下输出功率，工作效率，火用效率随负载电阻的变化曲线，以及在负载电阻一定的情况下，工作效率、火用效率随温差的变化曲线。最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。3.学位论文李义半导体温差发电模块热分析与优化设计2008半导体温差发电模块是一种能够将热能直接转化为电能的装置，由一定数量的半导体温差电偶，铜导流片和陶瓷绝缘导热片组成。其作为一种特殊的能量转换装置，有着独特的优点，特别适合对低温差能量的回收利用。基于低温差的特点，文章中对温差发电模块的设计与分析都是在模块冷热端的温差不是太大的前提下进行的。本文对半导体温差发电模块的实际传热模型进行了分析，得到了模型中的内、外热阻分布情况，特别对接触热阻对模块的影响进行了分析。对模块稳态和非稳态温差发电过程进行了热分析，得出了稳态发电过程中电偶臂内的温度分布和非稳态发电过程中电偶臂内的温度和温差电流随时间的变化，并分析了内部和外部因素对非稳态发电过程的影响，比如接触因素、热源、热沉换热系数、环境温度、电偶臂长和截面积等。文章还对半导体温差发电模块进行了理论优化设计分析，在已知冷热端温度的前提下，得出了模块内部因素，如电偶臂长度、截面积、接触电阻和接触热阻等影响模块输出功率和效率的变化曲线，对简单电偶臂的曲率变化