一种半导体温差发电系统
摘要 介绍了一种新型的半导体温差发电模块,对其性能进行了一些研究,并在此基础上构建了一套小型发电系统,可利用煤灶,篝火等发电,储电从而用以照明等.其中考察了发电模块的不同串并组合矩阵的输出功率,设计了为蓄电池充电的稳压充电电路,并使设计的模块矩阵与蓄电池稳压充电电路匹配,使其输出功率达到最大.
关键词 半导体温差发电模块 稳压电路 蓄电池 充电电路
Abstract AnovelSTM(sem iconducto rtherm oelect ricm odu le)isin t roduced,andit sp erfo rm ancesa redis2 cu ssed.T henagenera to rsystemisdesignedba sedonth isSTM,w h ichcanu t ilizecoa lstoveo rneedfiretogen2 era teelect ricity.T hem a t rixw h ichisfo rm edbysevera lp iecesofSTMisinvest iga ted.A tla st,aregu la to rcir2 cu itfo rcha rginga12Vsto rageba t teryisdesigned,w h ichcanm a tchtheSTMm a t rix.
Keywords Sem iconducto rtherm oelect ricm odu le R egu la to rcircu it Sto rageba t tery Cha rgedcircu it
1 引 言
半导体温度发电器模块(Sem iconducto rT herm o2 elect ricM odu le)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,使用寿命长等种种优点,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不断提高的环境保护意识,特别是全球气候变暖问题,半导体温差发电技术以其各种优点越来越引起人们的关注.
半导体温差发电模块是根据塞贝克效应[1]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E:
式中:
为塞贝克系数,其单位为V/K或
/K.塞贝克系数
是由材料本身的电子能带结构决定的.
我们采用的半导体温差发电模块外形尺寸为35mm×35mm×5mm,共有126对PN结,具有一定的耐高温特性(热端稳定工作温度可达250℃,最高短时
冲击温度380℃),热电转化效率为4.7%.我们测得其开路电压与温差之间的关系见图1.
由图1可看到温差变化改变1℃,相应的产生0.03V的开路电压.
图1 开路电压U与温差△T之间的关系
2 基于STM的发电系统
我国是世界的产煤大国兼农业大国,在广大的农村地区,人们利用煤灶或煤炉烧煤煮饭,取暖等.在北方农村,煤炉通常是24小时持续燃烧。我们利用上述温差发电模块研制发电系统,以便利用煤灶,炉的热能产生电能给蓄电池充电或直接带动节能灯,低功耗电视等其它负载[3] 。这一发电系统也适用于野外探险时的篝火,从而解决无市电环境下的用电问题。
图2 基于温差发电模块组的盛水器装置示意图
图2是我们设计的装置示意图.用底部平整的盛水器,在其底部涂上导热硅脂与温差模块的冷端保持良好的热接触(开水的温度为100℃,所以冷端的温度可维持在120℃～130℃),模块热端向下紧贴在铝片上(也使用导热硅脂)。盛水器与铝片用销钉锁紧以保持温差模块两面与热,冷源的紧密接触。铝片另外有两个支柱用来调节与煤炉或其它热源之间的距离,当热源温度较高时可调大铝片与热源之间的空隙,从而使热端温度不高于250℃。
我们采用电炉作为热源,控制热端温度在235～245℃之间.开水沸腾后,测得模块的冷端温度在120～130℃之间,因而STM两端温差最低可维持105～115℃。
表1 STM几种串并矩阵的特性
我们利用此装置测量了STM几种串并矩阵的参数,见表1。测量时模块两端温差约为110℃。(负载端电压采用内接法)
由表1我们可以看出,半导体温差发电模块作为电源,其串并联的情况与其它电源的串并联并无本质区别。
3 设计STM串并矩阵与稳压充电电路实现给蓄电池充电
对于一个直流电源,为使电源能输出功率[4]最大,要求负载阻抗与电源等效内阻匹配,如果电源与负载不匹配,电源利用率就降低.因此为提高STM的效率,外接负载也要尽量与STM组成的矩阵的等效内阻匹配。
据此,利用上面的装置,我们设计了给12V/7AH的蓄电池充电的STM串并矩阵及与其匹配的稳压电路和二阶段恒流限压式充电保护电路.整个设计框图见图3。
图3 蓄电池稳压充电电路示意框图
3.1 温差发电模块串并矩阵
根据实验,测量得到稳压电路与充电电路给蓄电池充电时其等效输入内阻为4～12Ω.单片STM的等效内阻约为7～8Ω,因而我们采用三组 型的并联的半导体温差发电矩阵,其等效内阻在煤炉与热水之间的温差下为7～13Ω,这样整个装置给蓄电池充电的功率基本上与STM矩阵匹配,约为4W。
3.2 稳压电路
图4 LM2577输出15V稳压电路
因为要给蓄电池充电,而我们的STM矩阵的输出电压要高于蓄电池的电压,而模块的匹配输出电压为5V左右,又根据塞贝克效应,半导体温差发电模块两端产生的电压不是很稳定,因而我们需要一个升压稳压电路,我们选用了LM2577215稳压芯片,这种芯片输入电压范围为4～12V,输出稳定的15V.电路见图4。
3.3 蓄电池充电保护电路
蓄电池的寿命与日常是否正确地对蓄电池进行充,放电,有着紧密的关系,存在着许多因充电不合理,而使蓄电池过早报废的现象.对蓄电池的充
电[5] ,有恒流充电,恒压充电,恒流恒压充电,均衡充电等方式。为了充分地保护蓄电池,我们采用二阶段恒流限压式给蓄电池充电(电路见图5),它能实现恒流充电,同时又可保护蓄电池。
图5 二阶段恒流限压式蓄电池充电保护电路
a.维护充电:当蓄电池电压较低时(我们预设了9V),Q4截止,充电器工作在小电流维护充电状态下。
b.快速充电:当电池电压超过9V时,Q3导通,充电器转入大电流恒流快充模式下。
c.限压浮充:当电池接近满充时,充电器自动转入限压浮充状态,充电电流会由快速充电状态逐渐下降;至电池完全充足电后,充电电流仅为10～30mA,用以补充电池因自放电而损失的电量。另外本电路还设有反极性保护电路。
4 结束语
根据上面的设计,我们用电热炉模拟热源的温度,使热端温度在235℃～245℃,冷端在120℃～130℃,STM采用三组型的并联矩阵,得到输出开路电压为11.3V,匹配输出电压为5.2V左右,输出电流约为0.6A.输出电压经稳压电路后,稳定输出15V给蓄电池充电。
参考文献
1 许志建,徐行.塞贝克效应与温差发电.现代物理知识,2004, 16(1): 41～42.
2 栾伟玲,涂善东.温差电技术的研究进展.科学通报,2004, 49(11): 1011～1019.
3 A nde r sK illande r s,Jo hnC.B a ss.Asto ve2topgene ra to r fo rco lda rea s. 15thIn te rna t io na lCo nfe renceo nT he r2 m o e lect r ics, 1996, 390～393.
4 于俊鹏,张建中,康洪波.商用温差电制冷组件用于发电的研究.电源技术, 2003, 27(6): 532～535.
5 曹成茂,马德贵.铅酸蓄电池充电电路设计研究.安徽农业大学学报, 1998, 25(2): 200～202.002