齊鳳河，胡家旺，熊春宇

(1.大慶師范學(xué)院 物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712；2.大慶石化公司 熱電廠，黑龍江 大慶 163714)

0 引言

電焊作業(yè)時(shí)，焊點(diǎn)處溫度能達(dá)到幾千攝氏度，即使被焊接的鋼體體積和面積很大，電焊作業(yè)時(shí)被焊接的鋼體材料也有很高的溫度。通常，電焊時(shí)產(chǎn)生的這部分熱量都是自然的散失，沒(méi)有加以回收利用，造成浪費(fèi)。為了能合理回收利用電焊作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的大量的熱量，本文以塞貝克效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，采用半導(dǎo)體溫差發(fā)電的原理，將電焊時(shí)產(chǎn)生的熱量加以回收，轉(zhuǎn)換成電能再利用。

1 熱能收集轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)

熱能收集轉(zhuǎn)換裝置主要包括熱電轉(zhuǎn)換模塊和LTC3108升壓轉(zhuǎn)換模塊兩部分構(gòu)成，其電路原理圖如圖1所示。

圖1 熱能收集轉(zhuǎn)換裝置電路原理圖

1.1 溫差發(fā)電

溫差發(fā)電又叫熱電發(fā)電，是一種綠色環(huán)保的發(fā)電方式。溫差發(fā)電技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)噪聲，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)?？梢院侠砝锰?yáng)能、地?zé)崮?、工業(yè)余熱廢熱等低品位能源轉(zhuǎn)化成電能。溫差發(fā)電技術(shù)的研究最早開(kāi)始于20世紀(jì)40年代[1]。

1.1.1 塞貝克效應(yīng)

溫差發(fā)電模塊利用的是半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)包括三個(gè)基本效應(yīng)：塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)和湯姆遜效應(yīng)[2-3]。這三個(gè)效應(yīng)通過(guò)開(kāi)爾文關(guān)系式聯(lián)系在一起。熱電效應(yīng)還伴隨產(chǎn)生了其他效應(yīng)如：焦耳熱效應(yīng)和傅里葉效應(yīng)。

在溫差發(fā)電中，主要利用了溫差電材料的塞貝克效應(yīng)。在由兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路中，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中有熱電流產(chǎn)生，這就是塞貝克效應(yīng)，如圖2所示。不同材料a、b兩端節(jié)點(diǎn)存在溫差ΔT，便會(huì)產(chǎn)生塞貝克電勢(shì)ε。

ε=αS(T2-T1)

式中：T1為低溫端溫度，單位K；T2為高溫端溫，單位K；αS為所用熱電轉(zhuǎn)換材料的塞貝克系數(shù)，單位V/K。

1.1.2 溫差發(fā)電的原理

溫差發(fā)電是基于熱電材料的塞貝克效應(yīng)發(fā)展起來(lái)的一種發(fā)電技術(shù)，將P型和N型兩種不同類型的熱電材料(P型是富空穴材料，N型是富電子材料)一端相連形成一個(gè)PN結(jié)，如圖3所示，置于高溫狀態(tài)，另一端形成低溫，則由于熱激發(fā)作用，P(N)型材料高溫端空穴(電子)濃度高于低溫端，因此在這種濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子就開(kāi)始向低溫端擴(kuò)散，從而形成電動(dòng)勢(shì)，這樣熱電材料就通過(guò)高低溫端間的溫差完成了將高溫端輸入的熱能直接轉(zhuǎn)化成電能的過(guò)程[4]。單獨(dú)的一個(gè)PN結(jié)，可形成的電動(dòng)勢(shì)很小，而如果將很多這樣的PN結(jié)串聯(lián)起來(lái)，就可以得到足夠高的電壓，成為一個(gè)溫差發(fā)電器。

圖2 塞貝克效應(yīng)示意圖

圖3 溫差發(fā)電原理示意圖

1.2 LTC3108升壓轉(zhuǎn)換模塊

1.2.1 LTC3108的結(jié)構(gòu)

LTC3108是一款高度集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器，非常適合于收集和管理來(lái)自諸如TEG(熱電發(fā)生器)、熱電堆和小型太陽(yáng)能電池等極低輸入電壓電源的剩余能量。該器件所采用的升壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可在輸入電壓低至20mV的情況下正常工作。

LTC3108采用一個(gè)內(nèi)部MOS開(kāi)關(guān)，一個(gè)外接變壓器和一個(gè)小的耦合電容形成一個(gè)振蕩器，能夠?qū)?0mV的電壓放大到2.2V、2.35V、3.3V、4.1V和5V多種輸出電壓，為微處理器、傳感器和無(wú)線模塊等器件提供穩(wěn)定電源。

1.2.2 LTC3108的輸出

LTC3108具有多個(gè)電壓輸出端，可以提供不同的供電模式。具體如下：

VLDO：2.2V穩(wěn)壓輸出。使用時(shí)需要與地之間接一個(gè)2.2uF或者更大的電容器提高穩(wěn)定性，可提供的最小電流為4mA。

VOUT：主輸出。輸出電壓可由VS1和VS2進(jìn)行設(shè)置，輸出四種不同電壓模式，如表1所示。

表1 主輸出電壓設(shè)置表

VOUT2：開(kāi)關(guān)輸出，輸出電壓同主輸出，可由主微處理器采用VOUT2_EN引腳來(lái)控制其接通和關(guān)斷。當(dāng)被使能時(shí)，VOUT2通過(guò)一個(gè)P溝道MOSFET開(kāi)關(guān)與負(fù)載相連。該輸出可用于為諸如傳感器或放大器等不具備低功率睡眠或停機(jī)功能的外部電路供電。當(dāng)不被使用時(shí)，此管腳應(yīng)懸空或是與VOUT相連。此輸出最大輸出電壓為0.3A。

VSTORE：能量存儲(chǔ)。VSTORE腳可以外接非常大的電容(幾千PF甚至幾F)，以便在失去輸入電源的時(shí)候提供保持作用。一旦上電操作完成，則主輸出、穩(wěn)壓輸出和開(kāi)關(guān)輸出均可使用。如果輸入電源發(fā)生故障，則操作仍然能夠借助VSTORE腳的外接電容器的供電而得以持續(xù)。VSTORE輸出可用于在VOUT達(dá)到穩(wěn)壓狀態(tài)之后對(duì)一個(gè)大存儲(chǔ)電容器或可再充電電池進(jìn)行充電。在VOUT達(dá)到穩(wěn)壓狀態(tài)以后，允許VSTORE輸出充電電壓(該電壓被箝位于5.3V)。VSTORE上的電能存儲(chǔ)元件不僅能夠在失去輸入電源的情況下用于給系統(tǒng)供電，而且還能夠在輸入電源所具備的能量不足時(shí)用于補(bǔ)充VOUT、VOUT2和VLDO輸出所需要的電流。

PGD：正常輸出電壓指示。當(dāng)主輸出的電壓誤差在規(guī)定值的7.5%以下時(shí)，PGD管腳通過(guò)一個(gè)10MΩ的上拉電阻和VLDO相連，輸出高電平。如果主輸出的電壓誤差超過(guò)規(guī)定的值的9%，PGD管腳輸出低電平。

2 系統(tǒng)可行性分析

將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在熱端連接，則在冷端可得到一個(gè)電壓，一個(gè)PN連結(jié)所能產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)有限，將很多個(gè)這樣的PN連結(jié)串聯(lián)起來(lái)就可得到足夠的電壓，然后將串聯(lián)PN結(jié)并聯(lián)，得到足夠的電流，成為一個(gè)溫差發(fā)電機(jī)。這樣的溫差發(fā)電機(jī)完全沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，因此非?？煽俊Ｓ捎诒疚牟捎肔TC3108低輸入電壓升壓轉(zhuǎn)換模塊，在輸入電壓高于20mV情況下就可以正常工作，輸出電壓可以給微處理器、傳感器供電；再加上電焊時(shí)被焊鋼體溫度非常高，能產(chǎn)生非常大的冷熱溫差。因此，半導(dǎo)體串聯(lián)數(shù)量不需要很多，這樣可以在有限的面積內(nèi)放置足夠的并聯(lián)PN結(jié)，以滿足所需電流要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于溫差發(fā)電和LTC3108低輸入電壓升壓轉(zhuǎn)換模塊的電能收集充電器。該裝置可以收集電焊工作時(shí)產(chǎn)生的大量熱量，將熱量轉(zhuǎn)換為電能，為微處理器和傳感器供電，變廢為寶，節(jié)能環(huán)保，具有良好的推廣和使用價(jià)值。

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