小型化温差发电系统的设计及实现

电子科技大学附属实验中学 何 奕

电子科技大学 黄文灵 陈志祥 胡晓东 陈定辉

1 引言

自1821年，Seebeck发现塞贝克效应以来，国内外对温差发电这种绿色能源技术进行了大量的研究，并取得了多方面的应用[1][2][3]。与传统发电方式相比，温差发电技术具有结构简单、无运动部件、工作时无噪声、无废弃物的排放等一系列优点[4,6]，是一种环境友好型的发电方式。半导体材料优异的热电转换性能使之成为温差发电材料的首选。随着材料技术和制作工艺的进步，在一些较廉价的高性能材料研究方面已经取得了很大的进步[7]。

尽管温差发电效率目前只有约 5%～7%，但对于微功耗的传感器或传感器网络，利用周围环境的热能通过热电转换实现自主供电却是很好的解决方案。

本文针对该应用设计了一个小型化温差发电系统。基于TES112703型号的温差发电片，合理布局电源管理系统和系统机械结构，得到了结构紧凑的小型化温差发电系统。

2 温差发电系统结构设计

温差发电系统是基于环境温度来实现温差发电的，如化工管道的热态流液，长距离石油管道中输送的加热原油，水暖管道的热水以及其它工业环境中的固态热源等等。温差发电的发电片一端贴合在热源上，发电片的另一面需要一个散热机构，使发电片两端的温差尽量大，以期达到制冷片冷热端尽量大的温差。

实用的温差发电模块一般结构如图1所示。它包含于三个部分：1：金属集热件、2：半导体发电片、3：金属散热件。

2.1 温差发电系统总体结构设计

本文选用的温差发电片TES112703型，其几何尺寸为30×30×3.7mm。在系统装配设计上，温差发电片与热端和冷端的金属模块贴合时，在金属面和发电片陶瓷基板面上涂抹导热硅脂来保证热量的良好传导，并在温差发电片周围增加一个耐热性能优良的PEEK（聚醚醚酮）材料塑料框加以固定，保证结构的稳定性。

图1 温差发电模块示意图

图2 温差发电系统俯视图和侧视图

图3 温差发电系统电源管理电路原理图

金属集热件上预留出与热源装配的空间，方便其与热源通过螺丝固定。同时在金属集热件与金属散热件之间预留空间，将电源管理系统固定在两者之间，形成小型化的结构系统。下图2为系统设计的俯视图和侧视图。其中a为温差发电系统俯视图 ，b为温差发电系统侧视图（1、散热体，2、发电片，3、电源管理电路，4、集热体）。

2.2 温差发电系统散热结构设计

为了系统的小型化及节能，散热机构采用自然对流散热。自然对流散热系数一般在3～5（Kcal/m2.h.℃）左右[8]。散热方式十分依赖散热面积，散热面积越大，散热效果越好。散热面积增大会带来系统成本过高，体积过大的问题。为增大散热面积，采用细长针状散热结构，并通过ANSYS仿真设计，确定针边长2mm、针间距3mm、针尖长度15mm为比较理想的散热结构。

3 基于LTC3108的电源管理电路设计

本文采用的LTC3108芯片作为温差发电系统电源管理芯片。通过改变VS1和VS2两管脚与GND和VAUX之间的连接关系，可得到2.35V、3.3V、4.1V、5V四个档位的电压输出，满足不同低电压应用的需要。电路设计原理图如图3所示。

U1为电源管理芯片；C6为储能电容，储存发电系统的电能，供用电器使用；U2为10芯接插件，为系统的外围提供接口；R1和R2两个热敏电阻，可对发电片冷热端面温度实现监控。

为实现小型化，电源管理PCB电路嵌入到系统的机械结构中，如图2所示。PCB电路尺寸为40 mm×15mm。电源管理电路PCB版图的正面几背面元件布局图如图4所示。

图4 电源管理电路PCB版图正面几背面图面

4 温差发电系统测试与分析

对制作的小型化温差发电系统做测试，温差发电系统及其测试装置如图5所示。

图5 温差发电系统及其测试装置图

将温差发电系统的集热体面放置在热板上，通过调节热板温度，测试制冷片冷热端的温差和系统输出功率。温差随热端面温度变化曲线，如图6所示。测试结果和散热效果仿真模拟结果非常接近。

在外接20Ω负载的条件下，测试不同温差下每一个档位电压的温差与输出电流和输出功率之间的关系，测试结果如图7所示。

同一温差下不同电压输出对应不同的输出功率，电压越高，输出功率就越高，同时负载电压和电流相应提高。温差越大，电源管理系统输出功率越大，在60℃温差下、5V档位达到2.31mW的输出功率。测试表明：该小型化温差发电系统应用在足够温差的环境下，输出功率可以为小型充电设备充电，或为小型用电器如微处理器、传感器和无线模块供电。

图6 实测温差与仿真温差对比曲线

图7 电源管理系统输出功率、负载电压、负载电流和温差的关系曲线

5 总结

本文通过机械结构和系统的巧妙设计，制作了一个小型化温差发电系统，发电系统通过电源管理实现稳压输出、储能和温度监控等功能。对该系统实验测试表明：温差发电系统的散热效果与仿真设计结果相近；在一定温差下，系统可实现稳定的功率输出，是微功耗系统理想的自供能系统。

[1]高敏,张景韶,D.M.Rowe.温差电转换及其应用[M].北京:兵器工业出版社,1996,165-171.

[2]杨广发,李涛,卢继龙.温差发电技术的应用和展望[J].制冷空调与电力机械,2006,12(3):16-18.

[3]栾伟玲,涂善东.温差点击数的研究进展[J].科学通报,2004, 23(6):15-17.

[4] Min G, Rowe D M 1992 J. Power Sources 38 253.

[5] Rowe D M, Min G 1998 J. Power Sources 73 193.

[6] Rowe D M 1981 Appl. Energ. 8 269.

[7] Chen J,Yan Z,Wu L1996 J. Applied Phy. 79 8823.

[8]何浩,刘伟强.高速燃气喷射管道表面自然对流散热分析[J].工业加热,2008, 27(8): 58-61.