基于LTC3108的能量收集系统的应用研究

2016-01-29 03:52屈永刘玉伟

机械制造与自动化 2015年4期

屈永，刘玉伟

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

屈永，刘玉伟

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

摘要：温差发电技术是一种无污染，无噪声，应用范围广的新型能量收集技术。用特殊材料制成温差发电片。温差发电片冷热端温度不同，就会产生电压，从而使热能转换为电能。利用LTC3108直流升压电路，将温差发电片转换来的低电压升高，就可以供低功耗设备工作。由于温差的变化或者设备间歇工作等原因，转换所得的电量可能会过剩或者不足。为解决上述问题，系统采用超级电容作为储能元件。在电量多余的情况下，将电量储存在超级电容里；在电量不足的情况下，将超级电容所存电量释放出来，供设备使用。

关键词：温差发电；LTC3108；低功耗设备；超级电容

Applied Research of Energy Collection System Based on LTC3108

QU Yong,LIU Yuwei

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:Thermal power generation technology is a kind of new energy harvesting technology with no pollution, no noise, and wide application. Thermoelectric conversion module is made of special materials. When the temperature of both sides of the thermoelectric conversion module is different, it would form voltage. Thus, thermal energy changes into electrical energy. LTC3108 DC booster circuit is used to boost the low voltage transformed by thermoelectric conversion module. And the boosted voltage can be supplied for low power consumption devices. Because the temperature difference between the two sides of thermoelectric conversion module is changed or the device operation is intermittent, the electrical energy might be surplus or lack. In order to solve this problem, this paper uses the super capacitors as energy storage elements. When the electricity is surplus, the rest of the electricity is stored into the super capacitors. And, when the electricity is lack, the stored energy is released to equipments.

Keywords:thermal power generation technology; LTC3108; low power consumption devices; super capacitors

0引言

随着科学技术的迅速发展，很多微型系统，如无线传感器、微功率工业检测和控制器、微小信息及通讯装置在民用与军事上正在或将得到广泛应用。由于这些微型系统往往分布在广阔区域、长期工作，故需要能长期供电的微小能源。有线供电方式不可行，传统的电池由于能量有限，需要频繁充电或更换(既费时费力费钱，有时还难以实现)，故已不能满足这些微型系统的能源需求。因此，如何利用能量收集技术，从周围自然环境中的风、光、温度、振动等相对来说无穷尽的来源中获取能量，并转化为微型系统可以使用的电能，正成为研究的热点。

温差发电技术是一种无污染、结构简单、长寿命的能量收集方式，有广阔的应用市场。文中针对目前许多测量仪表微功耗的特点，以热能计量仪表为应用对象，研究设计了一种基于热电转换原理的温差发电微功率电源，用来为仪表提供持久电力。实验证明，该方法切实有效、可行。

1电源系统的工作原理和组成

两种不同材料组成的闭合回路，当其两个接点温度不同时，回路中会产生热电势，这就是热电效应。将若干个上述回路串联起来，就可以制成能够得到数十毫伏开路输出电压的温差发电元件。热能计量仪表安装于供热管道上，管道内供热流体温度至少比环境温度高几十度，故可以使用温差发电元件将流体热能转换为电能。

由于热电转换后得到的电压很低，需采用升压技术将微弱的直流电压升高到可以供设备使用的电压(DC/DC升压)。另一方面，热能计量仪表是以间歇方式工作的，全速工作时耗电大，间歇时耗电极微，而温差发电元件功率有限，且受温差发电材料受热面与散热面温差大小的影响。因此，需要考虑配置储能元件，将热电转换得到的电能在富余时储存起来，在热能表全速工作时释放出来，以满足设备需要。

文中研究设计的微功率热电转换电源组成如图1所示，主要包括温差发电，升压电路，电能储存等几个部分。

图1　微功率热电转换电源组成框图

2电路设计

2.1温差发电片

半导体材料可以产生较高的热电势，用半导体材料制成温差发电元件已商品化，市场上有售。现选用的温差发电片型号为TEC112706、尺寸为40mm×40mm×4mm。安装方式如图2所示。温差发电片热端涂有导热硅胶与供热管道壳体接触，以增强导热性；冷端则装有铝制散热片，加强散热，以期尽量增大热端与冷端间的温差。

实验中以可调温度的循环热水为热源，以热源和环境的温度差作为变量，研究温差发电片开路电压与此温度差的关系。

实验发现，开路电压与此温度差的关系近似线性。在热源和环境的温度差为10℃时，开路电压约为61mV；温度差为70℃时，开路电压约可达到385mV。

在热源温度和环境温度不变的情况下，改善散热条件可使温差发电片两侧的温差增大，有利于提高温差发电片输出开路电压。

图2　温差发电片安装示意图

2.2DC/DC升压电路

温差发电片只能获得数十到上百mV的微弱直流电压，必须使其升压以满足仪表用电要求。要将直流电压升压，需先用振荡电路将其转换为交流电，再经变压器升压、整流，才能获得高的直流电压。若采用一般元件来构建升压电路，升压电路本身的功耗将耗尽温差发电片的电力，故必须采用特殊电路。

文中选用超低电压型升压转换和电源管理器—LTC3108 (linear technology corporation，最低输入电压为20 mV)，配合型号为LPR6235-752SML、贴片封装、匝数比为1∶100的升压变压器，将温差发电片输出电压升高。图3是升压电路。

图3　DC/DC升压电路

图3中左端为温差发电片，其微弱电压经电容Cin、升压变压器T的初级线圈进入LTC3108的SW端口，经内部开关产生自谐振荡信号，将直流电压变为交流电压，再经升压变压器T升压。升压后，电流经电容C3进入内部整流器和充电泵充电。当VAUX端电压超过2.5 V时，Vout端口将产生最大4.88 V的电压输出，给外部设备供电。当供电能量超过输出量时，Vstore 端口会产生最大5.25 V电压给Cstore充电，从而将多余的电量储存。当供电量过低时，Cstore储存的电量就可以通过Vstore端口给电路供电。

该电路只要输入电压>20mV，就可以正常升压，而温差发电片很容易满足这个条件。

2.3电能的储存

用温差发电片进行热电转换时产生的电力瞬时功率有限，可能不能满足仪表短时全速工作的电能需求。但其可长期工作发电，在仪表休眠时电能有富余，应将这部分电能储存起来备用。

用充电电池来储能，因充电电路复杂、要求高，也不经济，故不可取。现采用一种新型储能元件—超级电容来储能。超级电容依靠双电层及氧化还原假电容电荷来储存电能，充电电路极简单、充电速度非常快，能量转换效率高、功率密度大、放电能力极强，无“记忆效应”，寿命长，深度充放电循环可达数十万次，使用非常方便且无需维护。对温差发电系统来说，超级电容是非常理想的储能元件。

文中选用日本松下公司生产的H型超级电容，额定电压5.5 V，容量1.5 F。超级电容直接接在图3中芯片LTC3108的Vstore端口，无需额外的充电电路，充电非常简单。

3实验结果

3.1温差发电片热电转换能力

图4是在室温20℃时，温差发电片加图2所示铝制散热片情况下，热源温度和发电片开路电压的关系。从图4中可以看到，温差发电片开路电压随热源与环境温度温差的增大而增大，二者近似成线性关系。在热源与环境温差很小时，开路电压就可达到20mV，很容易满足升压转换和电源管理器LTC3108的输入电压要求；温差70℃时，开路电压可达385mV。

图4　室温20 ℃时，温度和电压的关系

3.2电源带载能力试验

在图3所示的升压电路Vout端接入不同直流电阻以模拟电源负载。

考虑到目前很多微功耗智能仪表采用了MSP430系列微功耗单片机作为核心，而MSP430额定电压范围为1.8 V～3.6 V，典型工作电压为3.3 V。故作电源带载能力试验时，以3.3 V为判定依据，升压电路Vout端电压达到此电压即认为可满足仪表正常工作用电需求。

图5为不同负载时，电源Vout端口电压大小随热源与环境温差变化情况。从图5中可以看到，在40 kΩ、20 kΩ、10 kΩ负载情况下，Vout端口电压达到3.3 V所需温差分别为：22 ℃、28 ℃和53 ℃。此三种情况下电源的输出电流分别为：82.5A、165A和330A。鉴于以MSP430为核心的微功耗设备的平均工作电流通常在几百A以下。因此，此电源完全可以满足此类低功耗设备的工作需要。

4结语

研究了利用温差发电技术将热能转换为电能，为微功耗仪表提供持久电力的方法。并设计基于LTC3108，实现DC/DC升压、用超级电容储能的微功率实用电源电路。所做实验证明，该电源能够为低功耗仪表设备提供足够的电力，尤其适合于在供热计量系统中应用。

文中所采用的设计方法和技术，对将其他形式的能量收集并转化为微型系统可以使用的电能也具有参考价值。