李 朋/竇甜華（山東同圓設(shè)計集團有限公司， 山東 濟南 250101）

0 引言

隨著能源與環(huán)境危機的日益突出，以及半導體技術(shù)的迅速發(fā)展和各種優(yōu)質(zhì)半導體材料的不斷問世，溫差發(fā)電技術(shù)以其無噪音、無磨損、無污染排放、體積小及重量輕等優(yōu)點越來越受到人們的關(guān)注。半導體溫差發(fā)電應用于中高溫差發(fā)電的研究較多，而在低溫差情況下，由于發(fā)電機發(fā)電效率較低，這方面的研究和應用還處于起步階段。美國、英國和日本等國都制定了通過溫差發(fā)電進行廢熱回收利用的計劃，現(xiàn)還處于模型試驗研究階段[1]。

用戶熱量表是集中供暖系統(tǒng)實現(xiàn)熱量分戶計量的重要儀表。給熱量表供電一般采用網(wǎng)絡(luò)總線供電和電池供電兩種方式。采用總線供電會遇到管線布置走向、穿管以及提前剔槽預埋等一系列復雜問題，這樣就間接造成了工期拖長、費用加大、擴展系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)兼容等。目前采用的有線遠程熱量計量系統(tǒng)中，由于管線敷設(shè)距離較長造成的管線短路、斷裂等問題越來越明顯，加上本身的線路復雜，很大程度上加大了線路維護的難度。系統(tǒng)斷電后，不得不采用第二電源電池供電，第二電源超過負擔的時間，就會造成系統(tǒng)計數(shù)與機械表頭讀數(shù)的誤差。電池供電存在使用年限短、供電電流小等問題，難以滿足5～6年的使用期限的要求，隨著使用年限的增加，利用率會更低，當電池電壓降無法滿足熱量表的需求時，電池電量就會使系統(tǒng)處于無法開啟和關(guān)閉鎖閉閥的狀態(tài)，導致鎖閉閥失去控制。第二電源無法保證熱量表網(wǎng)絡(luò)大批量動態(tài)數(shù)據(jù)實時傳輸所需要的電量，長時間在此狀態(tài)下工作，熱量表會在其使用年限之前損壞。

1 自供電裝置結(jié)構(gòu)圖

針對上述問題，本文設(shè)計了一種自供電裝置，以供暖系統(tǒng)中的暖氣片或者暖氣管道為熱源，利用溫差發(fā)電原理，將低溫熱能轉(zhuǎn)化為電能，使用充電泵和DC/DC變換器升壓穩(wěn)壓，用于給熱量表供電，也可給充電電池充電。如圖1所示，自供電裝置主要包括兩部分：溫差發(fā)電模塊和穩(wěn)壓模塊。下文將詳細介紹各部分的工作原理。

2 溫差發(fā)電模塊原理

溫差發(fā)電模塊的構(gòu)造主要包括兩部分：溫差發(fā)電器件和散熱器。

溫差發(fā)電借助了塞貝克效應，利用能量守恒原理，把熱能轉(zhuǎn)換為電能。這是一種比較新穎的發(fā)電方式，利用了塞貝克電壓與熱冷兩端溫度差成正比[2]的工作原理。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展和研究，半導體溫差發(fā)電技術(shù)引起了世界范圍內(nèi)的極大關(guān)注，制造出了熱能與電能相互轉(zhuǎn)換的溫差發(fā)電器件。溫差半導體發(fā)電存在一系列的優(yōu)勢，比如沒有噪音污染、使用性能穩(wěn)定及使用壽命長等，即使在惡劣的環(huán)境下，如-40℃的低溫情況下，也能正常工作。由于這些優(yōu)勢的存在，使其使用情況越來越得到相應的重視。其工作原理是將溫差設(shè)置在不同性質(zhì)的兩塊半導體兩端，這樣兩者之間就產(chǎn)生了直流電壓，溫差發(fā)電器件通常是由P、N兩種不同類型的半導體溫差發(fā)電材料，經(jīng)電導率較高的導流片串聯(lián)，并將導流片固定于導熱系數(shù)較小的陶瓷片上構(gòu)成[3]。Bi2Te3、PbTe、SiGe 等固溶體合金，都是重要的溫差電材料。本研究使用的溫差電材料是Bi2Te3，溫差發(fā)電器件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

溫差發(fā)電器長度和寬度都為40mm，厚度僅為4mm，并包含127對PN結(jié)，具有適應惡劣環(huán)境的特性（如高溫等）。特殊的工作特性保證其即使在180℃的溫度下也可正常工作，甚至在220℃的高溫下也可短暫工作。為使溫差發(fā)電器件的熱面與熱源緊密接觸，將導熱片置于溫差發(fā)電模塊的熱面與熱源之間，并將導熱硅脂涂抹在導熱片表面。由于溫差發(fā)電器件本身厚度非常小，因此兩端（熱面、冷面）達到熱平衡的時間很短，這樣對溫差發(fā)電器件冷面的散熱就成了其發(fā)電的關(guān)鍵要素，圖3是研究中使用的散熱裝置。散熱片底座尺寸為85mm×44mm×12mm，可放置兩塊溫差發(fā)電器件。

本研究使用兩塊溫差發(fā)電器件串聯(lián)，實驗測得其開路電壓與溫差之間的關(guān)系如圖4所示。

在供暖系統(tǒng)中，溫差發(fā)電器件熱面緊密貼在室內(nèi)暖氣片上，發(fā)電器件冷面緊貼散熱裝置，將導熱硅脂涂抹在散熱裝置的底座與溫差發(fā)電模塊冷面之間，這樣能更好地將熱量由熱管導出，最后由散熱片將熱量散到空氣中，將上述裝置安裝好并用螺絲固定。經(jīng)測試，冬天暖氣片溫度與室內(nèi)溫度相差10℃～45℃。由實驗數(shù)據(jù)可知，輸出開路電壓為0.7V～3V。

3 穩(wěn)壓電路原理

溫差發(fā)電模塊的輸出隨著溫差的變化而變化，熱源溫度很難控制在一個固定溫度，室內(nèi)溫度也隨著天氣、時間的變化而變化，這樣溫差發(fā)電模塊輸出的電壓不穩(wěn)定，需要穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后才能給熱量表供電，給充電電池充電。本研究使用精工電子的充電泵S882-Z與DC-DC轉(zhuǎn)換器相結(jié)合,實現(xiàn)升壓穩(wěn)壓，穩(wěn)壓電路原理圖如圖5所示。

開關(guān)電容式電壓變換器是充電泵的另一種叫法，是利用“快速”或“泵送”電容（而非電感或變壓器）來存儲能量的變換器。其電壓提升是通過開關(guān)陣列、振蕩器、邏輯電路及比較控制器來實現(xiàn)，能量是靠電容器來貯存。其工作原理可以簡單地表述為：通過受控的方式釋放存儲的能量來獲取所需要的輸出電壓。電容器的快速充放電，使輸入電壓成倍增加或降低，得到所需要的輸出電壓。這種方式的效率很高，可以達到80%左右，并且結(jié)構(gòu)簡單，只需外接陶瓷電容。因此，可利用充電泵將溫差發(fā)電模塊產(chǎn)生的小電壓積聚升壓，使電能升高到一定程度，達到給熱量表供電，給充電電池充電的目的。

本裝置使用的S-882Z是一個超低壓啟動充電泵，S8353-30是DC-DC升壓芯片。輸入電壓范圍0.3V～3V，輸出電壓為3V。充電泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，工作流程圖如圖7所示。

工作原理為[4]：（1）當輸入電壓大于充電泵輸入端子的0.3V電壓時，啟動內(nèi)部的振蕩電路，并輸出脈沖信號。（2）輸出的脈沖信號驅(qū)動充電泵電路，充電泵輸入端子的電壓轉(zhuǎn)換為升壓電壓。（3）升壓電壓輸出后，慢慢充電到啟動用電容器（CCPOUT）中，這樣就造成了CPOUT端子電壓緩慢上升。（4）當CPOUT端子電壓（VCPOUT）超過放電開始電壓（VCPOUT1）時，轉(zhuǎn)換器（COMP1）的輸出信號就會從高電位轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢弧７烹娍刂崎_關(guān)會轉(zhuǎn)變?yōu)椤伴_”的狀態(tài)。（5）開啟之后，CCPOUT處所充電的升壓電力會從OUT端子處開始放電。（6）當VCPOUT小于放電停止電壓（VCPOUT2）時，放電控制開關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)椤瓣P(guān)”的狀態(tài)而停止放電。（7）當端子電壓（VVM）達到開/關(guān)控制電壓（VOFF）以上時，轉(zhuǎn)換器（COMP2）的輸出信號（EN-）就會從低電位轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娢?。因此，振蕩電路會停止工作，并轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝郀顟B(tài)。（8）當VVM不能達到VOFF以上時，會利用來自充電泵電路的升壓電力對CCPOUT進行再充電，并返回到（3）。

以圖5所示的電路作為自供電裝置的穩(wěn)壓模塊，將溫差發(fā)電模塊的輸出作為穩(wěn)壓模塊的輸入。根據(jù)應用需求，此穩(wěn)壓電路后可連接升壓芯片，如使用MAX731將電壓抬升到5V，給工作電壓為5V的熱量表供電，或給5V的充電電池充電。因為充電泵可以超低壓啟動，當溫差較小時，只要溫差電模塊輸出超過0.3V，充電泵仍可以啟動給充電電池充電，可以最大限度的利用低溫熱源。

4 充電保護電路

如果將鋰電池作為充電電池[5]，必須保證合理有效地利用其電池容量，當達到其最大電壓以后，不能進行過壓充電，否則會損壞電池的使用，必須有一套合理的充電保護電路。相同原理，如果電池過度放電會面臨同樣的問題，因此，合理的放電保護電路也是必不可少的。為了保護充電電池，本研究在充電電池與穩(wěn)壓模塊之間增加充電保護芯片MCP73831。MCP73831是一款高級線性充電管理控制器，充電電路圖如圖8所示。

MCP73831采用恒流/恒壓充電算法，并提供預充選項和充電結(jié)束控制選項。預充值和充電終止值與預設(shè)的恒流值成比例關(guān)系。通過在PROG引腳和VSS引腳之間的電阻來控制預充電流、快速充電電流和終止電流的大小。

5 結(jié)束語

本文所研究的自供電裝置具有安全、不存在觸電及爆炸隱患、能長期工作的特點。溫差發(fā)電器件和穩(wěn)壓電路都屬固定器件，便于安裝，電路中大部分元件都采用貼片封裝，使裝置簡單、體積小。該裝置最大限度地利用低溫熱源，將熱能轉(zhuǎn)化為電能，使用充電泵和DC/DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)壓，可用于供暖系統(tǒng)中熱量表供電、充電電池充電。僅使用兩片溫差發(fā)電器件，相比以往研究中使用的溫差發(fā)電組件串并聯(lián)矩陣，大大節(jié)約了成本。利用合理的電池充放電保護電路，大大降低了電池損壞的風險。

[1]屈健.低溫差下半導體溫差發(fā)電器設(shè)計與性能研究[D].同濟大學,2006.

[2]STRASSER M.AIGNER R,LAUTERBACHC,eta1.Micromachined CMOS thermoelectric generators as on-chip power supply[J].Sensors and Actuators A.Physical,2004,114（2-3）:362—370.

[3]賈磊，陳則韶，胡芄，孫煒.半導體溫差發(fā)電器件的熱力學分析[J].中國科學技術(shù)大學學報.2004 ,34（6）:684－687.

[4]李曉延.超低輸入電壓升壓電路解決方案[J].2007,11:47-49.

[5]林玉蘭，呂迎陽，梁 廣，陳忠.基于半導體溫差發(fā)電模塊的鋰電池充電裝置[J].電源技術(shù),2006,30（1）:38－40.