基于半导体温差发电的能源采集系统研究

苏岭，滕庆，陈乔松

（1.重庆邮电大学模式识别及应用研究所，重庆400065；2.重庆长安新能源汽车有限公司，重庆401120；3.计算智能重庆市重点实验室，重庆400065）

基于半导体温差发电的能源采集系统研究

苏岭1,2，滕庆1，陈乔松3

（1.重庆邮电大学模式识别及应用研究所，重庆400065；2.重庆长安新能源汽车有限公司，重庆401120；3.计算智能重庆市重点实验室，重庆400065）

为了解决无线传感器网络供电问题，减少对传统电池电源供电的依靠，设计了一种热量能源采集系统。该装置主要由热电采集模块和电源管理电路组成。搭建了热电采集平台和性能测试平台,通过对热电采集模块性能特性进行分析，设计了一个电源管理电路。电源管理电路主要由DC/DC转换模块、控制单元和存储单元组成。实验结果表明热电采集装置能够有效地采集环境中的热能，电源管理电路能够有效地存储采集的直流电能，且转换效率能够达到60%。

无线传感器网络；电池电源；热电转换；电源管理电路

随着社会发展和科技进步，无线传感器网络技术得到了广泛应用。电源是整个无线传感器网络系统设计中最重要的组成部分。目前，无线传感器网络供电方式主要是电池电源供电。由于电池寿命有限，需要定期更换电池，不仅工作量大，成本高，浪费也很严重；对于边缘地区的大面积无线传感器网络来说，电池的更换将更加困难。能源采集具有更高的安全性、更低的维护成本和能够广泛普及等优点，将有望取代传统的电池电源供电。

目前，热电转换技术在油田、航天、军事、野外和一些特殊领域得到了广泛的应用。热电转换具有无噪音、无污染、性能稳定、免维护和使用寿命长等优点，可以在零下40℃的寒冷环境中迅速启动；并且，我们生活的环境中存在着地热、工业废热、汽车尾气和太阳能等热源，因此热电转换技术具有广阔的发展前景。热电转换主要基于塞贝克效应的半导体温差发电，温差发电可以直接将环境中的热能转换为直流电能，只要冷热端存在温差，热电采集器就会产生直流电能[1-2]。通常情况下，热电采集器能够获得几百毫瓦的能量，在一些特定的领域可以代替电池电源[3]。本文设计了一种热量能源采集系统，该装置主要由热电采集模块和电源管理电路组成，实验结果表明热电采集装置能够有效地采集环境中的热能，电源管理电路能够有效地存储采集的直流电能，且转换效率能够达到60%。

1 热电采集系统的构造和原理

通常热电采集装置设计包括两个基本步骤。首先，搭建一个热电采集平台，将环境中的热能转换为电能；其次，设计一个有效的电源管理电路，将采集的电能存储起来或者直接给低功耗器件供电[4]。系统装置如图1所示，由直流产生模块和电源管理电路组成。直流产生模块利用热电采集模块，将周围环境中的热量能源直接转化为直流电能。热电采集模块冷热面一旦产生温差，热电采集模块两端将会产生一个电压差。通常情况下，由于冷热端温差很难恒定，所以热电采集模块产生的电压也不稳定。因此，设计一个合理的电源管理电路，是十分必要的。首先须对热电采集模块输出的电压进行稳压处理，然后将稳定的电压提供给存储单元充电，或者直接给其它低功耗器件供电。下面具体分析各个模块的工作原理和过程。

图1 热电采集装置结构示意图

1.1 热电采集模块

热电转换原理主要利用半导体的热电效应。热电效应主要包括三个基本的效应：塞贝克效应、珀尔贴效应和汤姆逊效应。热电转换主要利用半导体材料的塞贝克效应，有效地将热能转化为电能。在两种不同种类的半导体材料构成的闭合回路中，当两个接点温度不同时，回路中产生的电势使热能转变为电能，这就是塞贝克效应，其原理如图2所示。热电采集模块结构如图3所示，由多个PN结串联组成不同型号的温差发电组件。热电采集模块冷热端存在温差Δ，便会产生塞贝克电势Δ，其表达式为：

图2 塞贝克效应原理

图3 热电采集模块结构

将多个PN结串联起来，再用金属导流板和陶瓷片封装起来，就可以制作成不同型号和规格的热电发电组件。本文采用型号为TEG-140的热电发电组件，也就是127对PN结串联组成，并封装成40mm×40mm的温差发电模块。该型号产品内阻小，寿命长，可耐高温200℃以上，输出电流600mA，输出电压3.5V，产品性能在国内处于领先水平。该型号的发电组件在温差为120℃时的性能参数见表1。

表1 温差发电组件性能参数

热电采集模块利用冷热面的温差来产生电能，因此如何获得热源和降低冷面温度是非常重要的。如图4所示，设计了热电采集装置实验台，包括加热装置、散热装置和半导体温差发电组件等。加热装置选用智能温度调节器XTMG-6411加热铝合金加热器作为恒温源；散热装置选用铝制散热片和风扇，散热方式选用强风冷却；半导体温差发电组件选用TEG-140温差发电组件。

图4 热电采集装置图

1.2 稳压模块

根据塞贝克效应原理可知，热电采集模块输出电压受到冷热端温差的影响。在实际环境中，由于热源温度很难控制在一个恒定的温度，并且存储单元和低功耗器件都需要一个恒定的电压，所以在系统设计中需要一个稳压电路。本文主要采用LTC3105作为可调稳压器，电路原理如图5所示。LTC3105具有低功耗、输出断接和浪涌电流限制、最大功率点控制和低至250mV的输入启动电压等特点，能在0.2～5V极宽的输入范围内工作，非常适合于从热电发电器收集能量。LTC3105输出电压表达式为：

1.3 控制和保护模块

图5 稳压电路原理图

热电采集模块可以将环境中的热能转化为直流电能，设计一个有效的电源管理电路存储采集的电能是非常必要的。电源管理电路中，控制单元采用超低功耗（最大12.6mW）微控制MC9S08LL16对电池电压和温度进行采样测试，温度采样和电压采样电路如图6和图7所示。当电池的充电电压达到电池额定电压或者电池温度过高时，控制单元将关闭对存储单元供电。存储单元采用纽扣锂离子电池，型号LIR2032，标准容量为40mAh，额定电压为3.6V。

图6 温度采样检测电路

图7 电压采样检测电路

2 实验测试与性能分析

在实验室条件下搭建了热电采集平台和测试平台。热电采集平台主要由加热装置、散热装置和半导体温差发电组件等装置组成。热电采集测试平台主要由PT100热敏电阻、数据采集卡NI9221、PC上位机、电压表等组成。为了获得大量的数据，需要在不同温差下多次进行热电性能测试。实验时，先调节智能温度调节器加热温差发电组件，使热端温度到达设定温度。热端温度稳定后，测试温差发电组件冷端温度和输出性能。完成一组测试后，重新设定智能温度调节器温度值，使热端温度重新达到稳定值再进行测试。

在实验室条件下，为了能够准确测试热电模块输出性能，在搭建的热电性能测试平台基础上测试了输出电压、输出功率与温差之间的关系。本次实验主要对单个热电采集模块进行测试，实验结果如图8和图9所示。

通过图8可以看出，随着冷热端温差的增大，热电采集模块输出电压也相应增加。实验结果表明温差改变1℃，则相应产生0.034V的开路电压。图9可以看出，随着冷热面温差的增大，热电采集模块的输出功率也相应增大；在相同温差下，随着负载逐渐增加，输出功率先增加后减小。温差越大，输出功率变化趋势越明显。在实际应用中，可以尽量降低冷端温度，以求获得更高的输出功率。

图8 输出电压与温差之间的关系

图9 输出功率与温差之间的关系

在电源管理电路中，DC/DC转换模块是最重要的组成部分，它的转换效率直接影响整个装置的转换效率。在实验室条件下，根据不同的输入功率测试其输出功率。由于DC/DC转换模块输出电压为4.1V，所以实验时先测试其输出电流，通过计算可以得出输出功率，实验结果如表2所示。

表2 电源管理电路转换效率

3 结论

本设计主要针对无线传感器网络供电问题，研究了温差发电的基本原理和应用，设计了一种热电采集装置。通过搭建热电采集测试平台，对温差发电模块的输出特性进行测试。通过对热电采集模块性能进行分析，设计了一个合理的电源管理电路。实验结果表明，随着温差的增大，输出电压和输出功率也相应增大。电源管理电路能够有效地存储直流电能，并且转换效率能够达到60%以上。

[1]许志建，徐行.塞贝克效应与温差发电[J].现代物理知识，2004 (1)：41-42.

[2]王华军，韩刚.半导体热电发电技术[J].中国陶瓷工业，2008，10 (10)：27-31.

[3]曲建，李茂德.半导体温差发电器的工作性能优化[J].低温工程，2005，2(3)：20-23.

[4]陈允成，吕迎阳，林玉兰，等.一种半导体温差发电系统[J].仪器仪表学报，2005，26(8)：15-18.

Energyharvesting system based on semiconductor thermoelectricmodule

SU Ling1,2,TENG Qing1,CHEN Qiao-song3

A thermal energyharvesting system was designed.In order to solve the problem of power supply for Wireless Sensor Networks and reduce the dependence of the primary power source,energyharvesting system was playing an important role in Wireless Sensor Networks.This system was consisted of e the thermoelectricharvesting subsystem and the powermanagement circuit.According to the basic principle of thermoelectric conversion technology,a power acquisition platform and performance test platform were designed.Based on the performance of thermoelectricmodule performance analysis,a power supplymanagement circuit was designed.The powermanagement circuit wasmainly consisted of DC-DC converter,Micro-controller and storage unit.The experimental results indicate that the thermal energyharvesting system can effectively collect thermal energy in the environment; powermanagement circuit can be effectively stored acquisition of DC electrical energy,and the conversion efficiency can reach above 60%.

wireless sensor networks;battery power;thermoelectric conversion;powermanagement circuit

TM 913

A

1002-087 X(2014)10-1869-03

2014-03-10

重庆市科委基金(CSTC2013yykfC60005，cstc2014jcyjA60004，CSTC2013jcsf-jcssX0022，CSTC2013jcyjjq60002)；重庆市教委基金(KJ1400436)

苏岭(1975—)，男，重庆市人，高级工程师，主要研究方向为智能安全技术。

陈乔松(1978—)，男，重庆市人，副教授，主要研究方向为智能安全技术。