蘇嶺，滕慶，陳喬松

（1.重慶郵電大學(xué)模式識別及應(yīng)用研究所，重慶400065；2.重慶長安新能源汽車有限公司，重慶401120；3.計(jì)算智能重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）

基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的能源采集系統(tǒng)研究

蘇嶺1,2，滕慶1，陳喬松3

（1.重慶郵電大學(xué)模式識別及應(yīng)用研究所，重慶400065；2.重慶長安新能源汽車有限公司，重慶401120；3.計(jì)算智能重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）

為了解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電問題，減少對傳統(tǒng)電池電源供電的依靠，設(shè)計(jì)了一種熱量能源采集系統(tǒng)。該裝置主要由熱電采集模塊和電源管理電路組成。搭建了熱電采集平臺和性能測試平臺,通過對熱電采集模塊性能特性進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一個電源管理電路。電源管理電路主要由DC/DC轉(zhuǎn)換模塊、控制單元和存儲單元組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熱電采集裝置能夠有效地采集環(huán)境中的熱能，電源管理電路能夠有效地存儲采集的直流電能，且轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到60%。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；電池電源；熱電轉(zhuǎn)換；電源管理電路

隨著社會發(fā)展和科技進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。電源是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的組成部分。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電方式主要是電池電源供電。由于電池壽命有限，需要定期更換電池，不僅工作量大，成本高，浪費(fèi)也很嚴(yán)重；對于邊緣地區(qū)的大面積無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，電池的更換將更加困難。能源采集具有更高的安全性、更低的維護(hù)成本和能夠廣泛普及等優(yōu)點(diǎn)，將有望取代傳統(tǒng)的電池電源供電。

目前，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在油田、航天、軍事、野外和一些特殊領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。熱電轉(zhuǎn)換具有無噪音、無污染、性能穩(wěn)定、免維護(hù)和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可以在零下40℃的寒冷環(huán)境中迅速啟動；并且，我們生活的環(huán)境中存在著地?zé)?、工業(yè)廢熱、汽車尾氣和太陽能等熱源，因此熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。熱電轉(zhuǎn)換主要基于塞貝克效應(yīng)的半導(dǎo)體溫差發(fā)電，溫差發(fā)電可以直接將環(huán)境中的熱能轉(zhuǎn)換為直流電能，只要冷熱端存在溫差，熱電采集器就會產(chǎn)生直流電能[1-2]。通常情況下，熱電采集器能夠獲得幾百毫瓦的能量，在一些特定的領(lǐng)域可以代替電池電源[3]。本文設(shè)計(jì)了一種熱量能源采集系統(tǒng)，該裝置主要由熱電采集模塊和電源管理電路組成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熱電采集裝置能夠有效地采集環(huán)境中的熱能，電源管理電路能夠有效地存儲采集的直流電能，且轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到60%。

1 熱電采集系統(tǒng)的構(gòu)造和原理

通常熱電采集裝置設(shè)計(jì)包括兩個基本步驟。首先，搭建一個熱電采集平臺，將環(huán)境中的熱能轉(zhuǎn)換為電能；其次，設(shè)計(jì)一個有效的電源管理電路，將采集的電能存儲起來或者直接給低功耗器件供電[4]。系統(tǒng)裝置如圖1所示，由直流產(chǎn)生模塊和電源管理電路組成。直流產(chǎn)生模塊利用熱電采集模塊，將周圍環(huán)境中的熱量能源直接轉(zhuǎn)化為直流電能。熱電采集模塊冷熱面一旦產(chǎn)生溫差，熱電采集模塊兩端將會產(chǎn)生一個電壓差。通常情況下，由于冷熱端溫差很難恒定，所以熱電采集模塊產(chǎn)生的電壓也不穩(wěn)定。因此，設(shè)計(jì)一個合理的電源管理電路，是十分必要的。首先須對熱電采集模塊輸出的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理，然后將穩(wěn)定的電壓提供給存儲單元充電，或者直接給其它低功耗器件供電。下面具體分析各個模塊的工作原理和過程。

圖1 熱電采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 熱電采集模塊

熱電轉(zhuǎn)換原理主要利用半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)主要包括三個基本的效應(yīng)：塞貝克效應(yīng)、珀?duì)栙N效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)。熱電轉(zhuǎn)換主要利用半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)，有效地將熱能轉(zhuǎn)化為電能。在兩種不同種類的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的閉合回路中，當(dāng)兩個接點(diǎn)溫度不同時，回路中產(chǎn)生的電勢使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這就是塞貝克效應(yīng)，其原理如圖2所示。熱電采集模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，由多個PN結(jié)串聯(lián)組成不同型號的溫差發(fā)電組件。熱電采集模塊冷熱端存在溫差Δ，便會產(chǎn)生塞貝克電勢Δ，其表達(dá)式為：

圖2 塞貝克效應(yīng)原理

圖3 熱電采集模塊結(jié)構(gòu)

將多個PN結(jié)串聯(lián)起來，再用金屬導(dǎo)流板和陶瓷片封裝起來，就可以制作成不同型號和規(guī)格的熱電發(fā)電組件。本文采用型號為TEG-140的熱電發(fā)電組件，也就是127對PN結(jié)串聯(lián)組成，并封裝成40mm×40mm的溫差發(fā)電模塊。該型號產(chǎn)品內(nèi)阻小，壽命長，可耐高溫200℃以上，輸出電流600mA，輸出電壓3.5V，產(chǎn)品性能在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。該型號的發(fā)電組件在溫差為120℃時的性能參數(shù)見表1。

表1 溫差發(fā)電組件性能參數(shù)

熱電采集模塊利用冷熱面的溫差來產(chǎn)生電能，因此如何獲得熱源和降低冷面溫度是非常重要的。如圖4所示，設(shè)計(jì)了熱電采集裝置實(shí)驗(yàn)臺，包括加熱裝置、散熱裝置和半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件等。加熱裝置選用智能溫度調(diào)節(jié)器XTMG-6411加熱鋁合金加熱器作為恒溫源；散熱裝置選用鋁制散熱片和風(fēng)扇，散熱方式選用強(qiáng)風(fēng)冷卻；半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件選用TEG-140溫差發(fā)電組件。

圖4 熱電采集裝置圖

1.2 穩(wěn)壓模塊

根據(jù)塞貝克效應(yīng)原理可知，熱電采集模塊輸出電壓受到冷熱端溫差的影響。在實(shí)際環(huán)境中，由于熱源溫度很難控制在一個恒定的溫度，并且存儲單元和低功耗器件都需要一個恒定的電壓，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要一個穩(wěn)壓電路。本文主要采用LTC3105作為可調(diào)穩(wěn)壓器，電路原理如圖5所示。LTC3105具有低功耗、輸出斷接和浪涌電流限制、最大功率點(diǎn)控制和低至250mV的輸入啟動電壓等特點(diǎn)，能在0.2～5V極寬的輸入范圍內(nèi)工作，非常適合于從熱電發(fā)電器收集能量。LTC3105輸出電壓表達(dá)式為：

1.3 控制和保護(hù)模塊

圖5 穩(wěn)壓電路原理圖

熱電采集模塊可以將環(huán)境中的熱能轉(zhuǎn)化為直流電能，設(shè)計(jì)一個有效的電源管理電路存儲采集的電能是非常必要的。電源管理電路中，控制單元采用超低功耗（最大12.6mW）微控制MC9S08LL16對電池電壓和溫度進(jìn)行采樣測試，溫度采樣和電壓采樣電路如圖6和圖7所示。當(dāng)電池的充電電壓達(dá)到電池額定電壓或者電池溫度過高時，控制單元將關(guān)閉對存儲單元供電。存儲單元采用紐扣鋰離子電池，型號LIR2032，標(biāo)準(zhǔn)容量為40mAh，額定電壓為3.6V。

圖6 溫度采樣檢測電路

圖7 電壓采樣檢測電路

2 實(shí)驗(yàn)測試與性能分析

在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建了熱電采集平臺和測試平臺。熱電采集平臺主要由加熱裝置、散熱裝置和半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件等裝置組成。熱電采集測試平臺主要由PT100熱敏電阻、數(shù)據(jù)采集卡NI9221、PC上位機(jī)、電壓表等組成。為了獲得大量的數(shù)據(jù)，需要在不同溫差下多次進(jìn)行熱電性能測試。實(shí)驗(yàn)時，先調(diào)節(jié)智能溫度調(diào)節(jié)器加熱溫差發(fā)電組件，使熱端溫度到達(dá)設(shè)定溫度。熱端溫度穩(wěn)定后，測試溫差發(fā)電組件冷端溫度和輸出性能。完成一組測試后，重新設(shè)定智能溫度調(diào)節(jié)器溫度值，使熱端溫度重新達(dá)到穩(wěn)定值再進(jìn)行測試。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，為了能夠準(zhǔn)確測試熱電模塊輸出性能，在搭建的熱電性能測試平臺基礎(chǔ)上測試了輸出電壓、輸出功率與溫差之間的關(guān)系。本次實(shí)驗(yàn)主要對單個熱電采集模塊進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。

通過圖8可以看出，隨著冷熱端溫差的增大，熱電采集模塊輸出電壓也相應(yīng)增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溫差改變1℃，則相應(yīng)產(chǎn)生0.034V的開路電壓。圖9可以看出，隨著冷熱面溫差的增大，熱電采集模塊的輸出功率也相應(yīng)增大；在相同溫差下，隨著負(fù)載逐漸增加，輸出功率先增加后減小。溫差越大，輸出功率變化趨勢越明顯。在實(shí)際應(yīng)用中，可以盡量降低冷端溫度，以求獲得更高的輸出功率。

圖8 輸出電壓與溫差之間的關(guān)系

圖9 輸出功率與溫差之間的關(guān)系

在電源管理電路中，DC/DC轉(zhuǎn)換模塊是最重要的組成部分，它的轉(zhuǎn)換效率直接影響整個裝置的轉(zhuǎn)換效率。在實(shí)驗(yàn)室條件下，根據(jù)不同的輸入功率測試其輸出功率。由于DC/DC轉(zhuǎn)換模塊輸出電壓為4.1V，所以實(shí)驗(yàn)時先測試其輸出電流，通過計(jì)算可以得出輸出功率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 電源管理電路轉(zhuǎn)換效率

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)主要針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電問題，研究了溫差發(fā)電的基本原理和應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種熱電采集裝置。通過搭建熱電采集測試平臺，對溫差發(fā)電模塊的輸出特性進(jìn)行測試。通過對熱電采集模塊性能進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一個合理的電源管理電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫差的增大，輸出電壓和輸出功率也相應(yīng)增大。電源管理電路能夠有效地存儲直流電能，并且轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到60%以上。

[1]許志建，徐行.塞貝克效應(yīng)與溫差發(fā)電[J].現(xiàn)代物理知識，2004 (1)：41-42.

[2]王華軍，韓剛.半導(dǎo)體熱電發(fā)電技術(shù)[J].中國陶瓷工業(yè)，2008，10 (10)：27-31.

[3]曲建，李茂德.半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的工作性能優(yōu)化[J].低溫工程，2005，2(3)：20-23.

[4]陳允成，呂迎陽，林玉蘭，等.一種半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，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

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

蘇嶺(1975—)，男，重慶市人，高級工程師，主要研究方向?yàn)橹悄馨踩夹g(shù)。

陳喬松(1978—)，男，重慶市人，副教授，主要研究方向?yàn)橹悄馨踩夹g(shù)。