卓越-唐欣-便携式野外充电器

长沙理工大学大学生研究性学习和创新性实验计划项目申报表项目名称便携式野外充电器学院名称电气与信息工程学院学生姓名学号专业性别联系电话王成201316080221电气工程及其自动化男15388062838刘思洋201321030330电气工程及其自动化男15367994525贺可意201309020202电气工程及其自动化女15773118236周文钊201321030214电气工程及其自动化男13107114027李宏江201324050435电气工程及其自动化男15387480683指导教师唐欣职称教授项目所属一级学科电气工程学生曾经参与科研的情况王成获得校数学建模竞赛二等奖校物理竞赛二等奖校数学竞赛三等奖对动手创新、电子电路方面有着浓厚的兴趣。李宏江电气学院科技立项三等奖具有扎实的数学基础知识和较强的逻辑思维能力。刘思洋贺可意周文钊对电子电路还有单片机有着浓厚的兴趣，动手能力较强。指导教师承担科研课题情况唐欣老师的研究方向为电力电子在电力系统中的应用，主持在研国家自然科学基金一项、主持完成了湖南省省自然科学基金两项和电力青年科技创新项目各一项，曾参与多项国家及省部级科研项目，获省部级一等奖两项、三等奖一项，以第一作者发表学术论文31篇，被SCI、EI检索21篇。项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题在我们的日常工作生活中，总是离不开手机，数码照相机，电脑。而现在的人们又很崇尚享受，喜欢出门游玩，野营。而这些数码设备是必不可少的工具。在长时间的使用中，电能很容易耗尽，在野外难以获得市电为电子设备充电。在野外的阴天，特别是在寒冷的夜晚，即便有一个太阳能充电器估计也不能帮你的爱机充电。所以我们这个项目就是发明一款野外充电器，旨在解决这个不便。在野外只要升起一堆篝火就可以给手机等的电子设备充电了。而且该充电器输出电压稳定，连续可调，可以适应不同充电电压的设备。温差发电系统主要由温差发电片、转换器和负载组成。当前温差发电技术的研究主要集中在三个方面，提高温差发电器件的效率、降低成本和扩大应用范围。研究表明，温差发电系统的温差越大、热源温度越高、材料优值越高，发电的效率就越高[4]。因此，提高温差发电器性能的主要方向是开发高优值的热电材料和高效的转换器结构。在高效的转换器与辅助设备的研究方面，主要集中在匹配模型和散热器设计。（1）匹配模型研究任德鹏等分析了温差发电器的热环境、回路中负载电阻等参数及温差电单体对的连接方式对发电器工作性能的影响，得出提高温差发电器热端加热热流或增加冷端的换热系数均能提高发电器的输出功率及热电转换效率的结论。苏景芳研究了系统与环境，系统与系统之间的热流关系，对系统的性能特性作出优化，建立温差发电器优化设计模型，同时以VB6.0(MicrosoftVisualBasic6.0)语言作为开发工具，ActiveX数据对象访问数据库，编写了温差发电器设计软件。钱卫强通过对低品位热源半导体小温差发电器性能的研究，总结了电动势、内阻及输出功率等参数随外电路、温度、发电组件几何尺寸等因素的变化规律，另外研究了串、并联情况下温差电组件的性能。李伟江从非平衡热力学角度出发，建立单层多电偶发电器在低温差下稳定T作的模型[5-6]。研究温差发电器在内部结构和外部换热条件变化情况下的运行规律，与实验相结合，得出最佳匹配系数下，输出功率和发电效率均随最大温差近似呈线性变化，同时指出解决发电效率低的问题根本上依靠的是材料性能的改善。屈健等应用有限时间热力学理论对半导体温差发电器的工作性能进行了分析，得到温差发电存在最佳参数工作区的结论[7-8]。潘玉灼等采用非平衡态热力学优化控制理论分析温差电模型，数值模拟结果表明：最匹配参数工作条件下输出功率和发电效率可分别提高39％和20％。（2）散热器设计发电器热设计也是影响发电效率的重要因素。为了保持较高的温差，往往在发电器低温端增加散热装置，以使热量及较高的温差，往往在发电器低温端增加散热装置，以使热量及时散失。Chein研究指出当器件热阻大于散热器最大热阻时，散热器将不能够散走器件产生的热量，因此与温差发电器匹配的冷端散热方式也是影响发电器性能的重要因素。目前主要的散热方式有：风冷、液冷和相变散热。风冷又分为自然风冷和强制风冷。自然风冷换热器是一定形状的翅片散热器。热阻大小与翅片密度、散热器面积直接相关。目前温差发电器中应用较多的是强制风冷，散热器(如热沉)与风扇结合，低温端热量传导到更大面积的翅片上，借助强制散热将热量散失到空气中[9-10]。热阻取决于风速，风速越大，热阻越小。强制风冷可有效地提高散热器的对流换热系数，减小散热面积，而且结构简单，易于实现，因而应用广泛。因液体的单位热容较气体大，因而液冷比风冷有更好的冷却效果，研究表明液冷换热系数比自然风冷散热大100～1000倍，热阻大小主要与液体的流速有关，流速越大，热阻越低。目前应用的液体散热方式主要有液体喷射冷却、微通道液体冷却和宏观水冷管路冷却。相变散热是利用相变材料相态变化时吸收热量来散热。这种散热方式适用于间歇式工作场合，目前研究最多的是带相变热虹吸管散热。Esarte的研究结果表明带相变热虹吸管可明显提高热流在传热面的均匀性，减小热阻，散热较好。综上所述，将温差发电技术应用到野外充电器上，存在高放大比的升压电路及温差片与负载的匹配问题有待进一步研究。国内外研究现状和发展动态半导体温差发电不受天气、场地的制约、无化学反应和机械运动，且无噪声、无污染、无磨损、寿命长，逐渐成为新能源利用和节能减排的重要手段之一。半导体温差发电是一种将温差能(热能)转化成电能的固体状态能量转化方式。半导体温差发电可广泛应用于太阳能热发电、工业余热发电、汽车尾气利用和其它分散热能开发。对于边远地区，高原地区，远离陆地的岛屿等发电和输送电困难的地区，如极地、森林、沙漠等无人地区的微波中继站、远地自动无线电接收装置、自动天气预报站、无人航标灯、油管的阴极保护等温差发电技术可发挥重要的作用。如美国GlobalThermoel-ectricInc生产的用于管道监控、数据采集、通讯和腐蚀防护的温差发电设备，输出功率可达6kW。部队、铁路、石油等部门在野外作业时常受电力短缺的困扰，有文献对利用温差发电回收野营燃油暖风机排烟余热的可行性进行了研究，排烟管内与管外环境温度温差达到250K，在40kW的高原暖风机排烟管外壁均匀布置147块Hi-Z科技公司的HZ-14温差发电模块，可以产生24.5V电压，2kW的电能。上述利用温差发电装置可以在野外为电子设备提供可靠电能，然而它们体积庞大，成本较高，并不适用于家庭野外使用。本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩已经研制出了一款同样利用温差发电的手电筒，名为静止式绿色手电筒，以下是其研究内容和实施方案。1．研究内容半导体温差发电是一种将温差能(热能)转化成电能的固体状态能量转化方式。温差发电系统主要由温差发电片及辅助设备、转换器和负载组成，系统结构图如图1所示。温差发电装置的输出功率和发电效率与高温端温度(Th)，低温端温度(Tc)，温差发电回路电流(I)，负载电阻(R)，发电器内阻(r)等因素密切相关，为提高温差发电装置的效能和适应环境参数、负载的大范围变化，本项目拟从温差发电片最大功率跟踪和转换器输出电压连续可调两个方面展开研究。温差发电片手掌波动的低电压转换器1.5VLED图1静止式绿色手电的结构图1)温差发电器优化设计模型在不同温差（0至37摄氏度）环境下，对单一发电模块及其串并联组合的性能进行测试，分析电源模块的电动势性能、伏安特性以及其输出功率随负载的变化规律，拟合成各自温度的函数。在此基础上，建立起温差发电器优化设计模型，进而设计温差发电组件的串并联方式、LED灯的数量和DC-DC升压电路的升压比。2）转换器主电路与控制电路由于单个温差发电片每摄氏1度的温差仅产生约0.03V，为满足LED供电电压（1.5V）要求，同时为平抑热源波动引起的发电片输出电压波动，需在发电片和负载之间加入一个转化器。传统的转化器多以稳压电路为主，其输出电压是一个定值，难以适用不同类型负载的要求，且其转换效率比较低，因此，本项目拟采用DC-DC升压电路为主电路，并对其输出电压进行反馈控制，实现输出电压连续可调，适用多种类型的负载。DC-DC升压电路的主电路如图2所示，其原理是,电感将电能和磁场能相互转换的能量转换器件，当IGBT开关管闭合后，电感将电能转换为磁场能储存起来，当IGBT断开后电感将储存的磁场能转换为电场能，且这个能量在和输入电源电压叠加后通过二极管和电容的滤波后得到平滑的直流电压提供给负载，由于这个电压是输入电源电压和电感的磁砀能转换为电能的叠加后形成的，所以输出电压高于输入电压，既升压过程的完成，因此，可以降低转换过程中的能耗。图2转换器的主电路DC-DC升压电路的控制电路如图2所示。控制电路根据最大功率跟踪算法获得期望的电流或电压控制参考信号，并综合负载需要的电压水平，对转换器输出电压进行反馈控制，产生控制IGBT的PWM信号。单片机电压、电流检测接口电路电压检测发电片输出电压和电流PWM控制信号转换器输出电压AD0-AD2PWM端口AD3图3转换器的控制电路2．实验方案MAX1984具有转换效率高于95％的升压式同步整流DC／DC变换器，并且无须外部肖特基二极管，工作频率为1MHz，可减小外部电感及电容的尺寸；此外，MAX1984可驱动8个白光LED。因此，为同时实现升压和连续调节LED亮度的功能，本项目拟采用MAX1984作为主控芯片。实验电路如图4所示。图4实验电路项目的创新点和特色1.方便携带，热源容易在野外获得。2.可以使输出的电压连续可调，以适应多种不同的设备。项目的技术路线及预期成果1.项目的技术路线本项目设计思路是利用一个便携式火炉和小型温差发电装置来实现。1)热电装置设计热电装置的结构图如图1所示，其包括一下几个部分：(1)热源：木材、木炭或者固体酒精便携式炉体；(2)温差电模块，两端为导热绝缘陶瓷，电极连接中间的P型、N型温差电材料。电极一般采用铜、镍、铁等材料，主要起电连接、机械支撑及传热作用。温差电器件将热能转化成电能；(3)绝热层，主要作用是减少漏热，使绝大部分热量从温差电器件中流过；(4)外壳一散热器；(5)便携式火炉。图1热电装置的结构示意图温差发电器的输出功率和发电效率与高温端温度(Th)，低温端温度(Tc)，温差发电回路电流(I)，负载电阻(R)，发电器内阻(r)等因素密切相关。在不同条件下，温差发电器的性能差别较大。半导体温差发电单元如图2所示，它是由n型和p型半导体电偶臂以及负载电阻构成，通过金属材料连接起来。当它工作在高温热源和低温热源之间形成回路后就有电流流过负载电阻。电流方向在n极中有冷端流向热端，p极中由热端流向冷端。将很多个这样的pn节串联，再用金属导流板和陶瓷片封装起来，就可以制作成不同规格和性能的温差发电组件。图2一个单元的传感器示意图本项目将分析火炉能产生的温差条件和温差发电片的功率特性，计算温差发电片的尺寸和面积，以达到充电所需的功率，如一个普通充电器输出的电参数为：5V，5W。2）DC-DC控制电路设计温差发电模块一端接入热源后，冷热两端产生温差开始发电，发电器发出的电压信号送入已设定好额定电压、电流的单片机中进行分析。当发出电压高于设定电压则通过分压电路将电压信号缩小后再送入单片机中进行数据采样分析反馈，直到处理后的电压与设定电压相同后将电压输送给负载；当发出电压低于设定电压则通过放大电路将电压信号放大后再送入单片机中进行数据采样分析反馈，直到处理后的电压与设定电压相同后将电压输送给负载。输出电压分压电路处理放大电路处理单片机数据分析温差发电模块接入热源转换为数字信号信号高于设定值信号低于设定值反馈至单片机分析反馈至单片机分析电压输出给负载信号等于设定值图3DC-DC升压器的结构图图4DC-DC升压器模型图参考文献[1]郑艺华，马永志.温差发电技术及其在节能领域的应用.节能技术.第24卷，总第136期，2006年3月，第2期[2]