賈鶴鳴，李敬源，楊 明，溥濤野，王 冠

(東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

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半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在溫室林木幼苗撫育中的應(yīng)用

賈鶴鳴，李敬源，楊 明，溥濤野，王 冠

(東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

針對北方地區(qū)冬季溫室內(nèi)外存在較大溫差的情況，將半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)引入溫室林木育苗中，利用溫差產(chǎn)生的電能補充溫室照明或輔助電能儲備，為實現(xiàn)林業(yè)現(xiàn)代化和綠色林業(yè)發(fā)展提供了技術(shù)參考。該文對所設(shè)計的半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的輸出電壓、輸出功率與冷熱端溫差關(guān)聯(lián)進行探索，采用高性能的隔熱材料以及冷卻循環(huán)降溫措施模擬室內(nèi)外溫差并使得溫差始終保持較高數(shù)值，根據(jù)塞貝克原理，發(fā)電模塊實現(xiàn)熱能到電能的轉(zhuǎn)換利用，并開發(fā)合適高效的DC-DC升壓電路和鋰電池充電管理電路，組建成了一個小型的發(fā)電儲能裝置。

溫差發(fā)電；塞貝克效應(yīng)；輸出功率；穩(wěn)壓模塊

目前社會和科技的發(fā)展致使能源消耗日益加劇，可利用的環(huán)境資源越來越少。這對開發(fā)新的能源技術(shù)有了更高的要求，如何做到人與自然的和諧發(fā)展是當(dāng)前迫在眉睫的事情[1-4]。半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置技術(shù)的產(chǎn)生為解決能源危機提供了新的方向，它具有環(huán)保綠色、循環(huán)利用、安全可靠、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點，所以發(fā)展前景極為廣闊[5]。近年來，熱電技術(shù)迎來飛速發(fā)展，溫差發(fā)電技術(shù)又是熱電領(lǐng)域最有代表性的一個分支。該技術(shù)具有環(huán)保、無噪聲、工作安全可靠等一系列優(yōu)點，因而其應(yīng)用可涉及軍事與航天、汽車尾氣發(fā)電、工業(yè)余熱發(fā)電、生活余熱發(fā)電等諸多領(lǐng)域[6]。

目前，環(huán)境問題凸顯，已經(jīng)對人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生巨大的影響，森林資源保護和發(fā)展顯得更加重要。林業(yè)幼苗撫育是林業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，幼苗撫育質(zhì)量直接關(guān)系到未來林木的質(zhì)量和林地的生產(chǎn)力。因此，對溫室林木幼苗撫育的研究具有很強的現(xiàn)實意義。如何將先進的自動化技術(shù)應(yīng)用于溫室育苗中也就成為了重要的研究課題。針對北方地區(qū)冬季溫室內(nèi)外存在較大溫差的情況，將半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)引入溫室林木育苗中，利用溫差產(chǎn)生的電能補充溫室照明或輔助電能儲備，為實現(xiàn)林業(yè)現(xiàn)代化和綠色林業(yè)發(fā)展提供了技術(shù)參考?？紤]熱電材料自身因素和環(huán)境因素的影響，大多數(shù)溫差發(fā)電裝置的熱轉(zhuǎn)化效率很低，因此在設(shè)計中為了提高效率，將多組溫差發(fā)電片連接，另外采用高性能保溫材料和可控風(fēng)扇冷卻模擬室內(nèi)外溫差并使得溫差保持在一個相對理想的數(shù)值下使能量利用率進一步提高。

1 發(fā)電裝置的基本構(gòu)成及原理

1.1 直流電產(chǎn)生模塊 該文設(shè)計的發(fā)電裝置系統(tǒng)框架如圖1所示，主要涵蓋以下幾部分：發(fā)電部分、穩(wěn)壓電路以及充電管理部分。其中溫差發(fā)電部分由多片半導(dǎo)體發(fā)電片、熱端以及冷水循環(huán)散熱3個部分構(gòu)成，在實際試驗操作中，僅需要給該部分提供一定的溫度差異，則該發(fā)電部分的兩端將產(chǎn)生電壓差，從而為可充電設(shè)備提供電能。但是另一方面由于溫差的不穩(wěn)定會導(dǎo)致產(chǎn)生的電壓不穩(wěn)定，無法給充電設(shè)備提供正常的供電電壓，因而必須對產(chǎn)生的電壓進行穩(wěn)壓處理，然后方可利用穩(wěn)定的電壓。穩(wěn)壓電路要達到的功能是將不穩(wěn)定的直流電能轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定可利用的直流電能。充電管理部分的目的是對設(shè)備進行充電管理。

直流電的產(chǎn)生主要是運用TEG1-241-2.0-1.2型半導(dǎo)體溫差發(fā)電片將熱能轉(zhuǎn)換為直流電能。根據(jù)熱電效應(yīng)，將2種不同特性的半導(dǎo)體物理結(jié)合，同時使一端置于高溫環(huán)境，另一端處于低溫環(huán)境，這樣在溫度低的一端就會產(chǎn)生電動勢，經(jīng)大量試驗表明，所產(chǎn)生的電動勢與冷熱表面溫度差異的關(guān)系有以下正比關(guān)系，即：

ΔU=ΔT×α

(1)

其中ΔU為產(chǎn)生的電動勢，ΔT為冷熱環(huán)境的溫差，α為塞貝克系數(shù)，其單位是 V/K 或 μV/K，塞貝克系數(shù)是由材料本身的結(jié)構(gòu)所決定。工作方式如圖2所示。

1.2 穩(wěn)壓電路 由于存在熱端溫度的不穩(wěn)定以及冷端散熱處理不及時，發(fā)電片兩端的溫度都會出現(xiàn)一定范圍的波動，因而輸出電壓不穩(wěn)定。為此設(shè)計一個有效的電路方案用來解決輸出直流不穩(wěn)定的問題。

穩(wěn)壓電路設(shè)計分析：①半導(dǎo)體發(fā)電部分產(chǎn)生不穩(wěn)定直流電壓1.2～4.8 V；②目前大多數(shù)待充設(shè)備的供電電壓為5 V；③穩(wěn)壓電路需要較高安全性能。綜上所述，該研究決定使用LM317芯片，LM317輸出可以連續(xù)調(diào)節(jié)，應(yīng)用極為廣泛。它具有許多顯著特性：①輸出電壓調(diào)節(jié)范圍1.25～37.00 V，輸出電流達1.5 A；②典型線性調(diào)整率僅0.01%，典型負載調(diào)整率僅0.1%，80 dB紋波抑制比，比其他穩(wěn)壓器性能優(yōu)良；③針對電路可能出現(xiàn)的安全問題，設(shè)計了短路保護、過熱過載保護和安全工作區(qū)保護等，保障整體電路穩(wěn)定高效的使用；④芯片能在溫室溫度和濕度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。

穩(wěn)壓電路圖如圖3所示。查閱官方提供的數(shù)據(jù)手冊，可以得到調(diào)節(jié)輸出電壓的方法。假定標(biāo)稱參考電壓(Vref)1.25 V，其經(jīng)由電阻Radj-1轉(zhuǎn)換成編程電流，再通過Radj-2到GND。

輸出電壓Vout可以由如下公式給出：

(2)

根據(jù)充電管理部分的基本要求，合理搭配電位器Radj-1、Radj-2的阻值，就能獲得預(yù)期電壓。

1.3 充電管理電路 充電管理電路的設(shè)計選用鋰離子電池充電管理芯片TP4056，TP4056是一款恒壓、恒流的線性充電器，廣泛運用于移動電話、監(jiān)視設(shè)備、各種充電儲能器件中。其擁有較強大的功能特性：①電池的溫度監(jiān)控，能實現(xiàn)在無過熱情況下充電速率最大化的熱調(diào)節(jié)功能；②充電電壓精度高，能達±1%精度指標(biāo)；③采用帶有散熱片的8引腳SOP封裝，預(yù)置的欠壓保護和自動再充電功能，較強環(huán)境適應(yīng)能力，保證在溫室溫度和濕度范圍內(nèi)芯片安全穩(wěn)定的工作；④預(yù)設(shè)充電指示管腳，進行充電情況的監(jiān)視。

輸入的電壓達到電源低電壓閾值，預(yù)充模式開始；當(dāng)2.90 V

2 工作過程及性能測試

2.1 工作過程 該文所設(shè)計發(fā)電裝置外觀如圖5所示。在溫室應(yīng)用中，可將裝置安裝于通風(fēng)口、溫室外墻等位置。裝置工作的流程是，首先溫差片產(chǎn)生電動勢作為后續(xù)穩(wěn)壓部分的電源輸入，當(dāng)電壓達到穩(wěn)壓電路的啟動電壓 2.0 V 時，通過穩(wěn)壓電路整流，就可以為溫室補充照明或者輔助電能儲備；同時產(chǎn)生電能在單片機控制下驅(qū)動風(fēng)扇，利用生成的部分電能給冷端散熱片進行降溫處理，風(fēng)扇消耗的功率將隨著溫差進行變動?？刂扑枷胧钱?dāng)溫差范圍在能使溫差發(fā)電片發(fā)電效率較高值時，風(fēng)扇是以低轉(zhuǎn)速運行，減少功率的消耗；而當(dāng)溫差小于設(shè)定的最低溫差20 ℃時，風(fēng)扇將開啟全速運行模式，加快冷端溫度降低速度，保持較大的溫差，從而保證溫差發(fā)電組件的較高輸出功率。當(dāng)熱端最高溫度高于溫差片的工作范圍時，單片機將控制數(shù)碼管顯示進行警告。此外冷熱端配置的溫度傳感器也能實時反映溫室溫度的變化，并和現(xiàn)階段幼苗生長需求溫度對比，進而確定溫室溫度的調(diào)節(jié)趨勢和方法。

2.2 性能測試與分析 在試驗過程中采用鋁殼式PTC加熱器作為熱源進行模擬，采用模塊化測試的方法，先對各個模塊進行測試然后進行整體測試。

在不同溫差、不同負載下對發(fā)電裝置的功率進行測試，得到功率效應(yīng)曲線。由圖6可知，在負載相同，溫差20、60、100 ℃時功率變化呈現(xiàn)遞增趨勢，即隨溫差的增大，輸出功率呈現(xiàn)較大提升。

在溫室中進行整體性能測試，將裝置安裝于溫室通風(fēng)口處，測得熱端溫度范圍為25～30 ℃，冷端溫度為-20 ℃左右，直流電產(chǎn)生模塊輸出2～5 V不穩(wěn)定電壓，能產(chǎn)生2 W左右的輸出功率。輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓電路后，輸出穩(wěn)定的5 V電壓供給照明設(shè)備、充電儲能設(shè)備和內(nèi)部單片機。筆者進行了照明和充電儲能的測試，結(jié)果如下。

(1)照明測試：在2 h的測試過程中，產(chǎn)生電能持續(xù)維持2個0.5 WLED超亮節(jié)能燈泡提供溫室光照，且整個測試過程中溫差發(fā)電裝置一直保持良好的運行狀態(tài)，各個模塊均未出現(xiàn)問題，可見該裝置能很好地適應(yīng)溫室環(huán)境。

(2)充電儲能測試：為直觀體現(xiàn)裝置發(fā)出的電能，以手機充電時間作為衡量，選用摩托羅拉V8手機進行充電儲能的測試，結(jié)果表明原版充電器充電時間為100 min，半導(dǎo)體充電裝置充電時間為104 min。

經(jīng)過和原充電器充電時間進行比較可以得到，使用2種方式對手機進行充電，時間差別在±5%以內(nèi)，屬于正常充電需求；充電過程中，充電設(shè)備沒有出現(xiàn)過熱的情況，并在充電完成時，充電完成提示指示燈進行提示充電完成。由上述試驗可以看出半導(dǎo)體溫差發(fā)電在溫室林木幼苗撫育中具有很好的運用前景，可以通過增加發(fā)電片的數(shù)量和做好保熱裝置的設(shè)計，有效提高供電的能量和效率，半導(dǎo)體發(fā)電應(yīng)用于溫室溫差發(fā)電中是可行的，并且具有較好的工程應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

此次設(shè)計裝置的特點：該發(fā)電裝置能利用溫室林木幼苗撫育環(huán)境中熱能，在20～100 ℃的溫差下，能夠輸出電壓 2.0～4.6 V、 電流 0.5～1 A 的不穩(wěn)定直流電源，能產(chǎn)生一整套供電解決方案，并結(jié)合單機片的運用，幫助調(diào)節(jié)合適的幼苗撫育溫度；另一方面該裝置的穩(wěn)壓充電部分，可將發(fā)電裝置所產(chǎn)生的不穩(wěn)定直流源轉(zhuǎn)換為5 V(±3%)的穩(wěn)定直流電，可用于提供幼苗生長所需要的適度光照，并能進行溫室輔助充電儲備。在某些特定的場合，比如在溫室林木幼苗撫育中，以及野外、高寒偏遠山區(qū)等地方，這種溫差發(fā)電裝置的利用將會越來越廣泛。

[1] 高敏，張景韶，ROWE D M.溫差電轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1996：24-97.

[2] 黃澤銑.熱電偶原理及其檢定[M].北京：中國計量出版社，1993：4-9.

[3] 王洪輝，庹先國，余小平． 基于單芯片的鋰電池/組充電器設(shè)計[J]．能源技術(shù)，2009，33(2)：127-130.

[4] 劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：350-365.

[5] 葉劍鋒.半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)研究及電熱式試驗臺設(shè)計[D]．北京：北京交通大學(xué)，2012.

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Application of Semiconductor Thermoelectric Power Generation Technology in Forest Seedling and Tending in Greenhouse

JIA He-ming, LI Jing-yuan, YANG Ming et al

College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040)

For larger temperature difference in the winter of northern area, the semiconductor thermoelectric power generation technology can be introduced into the forest seedling in greenhouse, generated by the temperature difference power supplemental greenhouse lighting or auxiliary power reserve, provided technical reference for the realization of modernization of forestry and green forestry development. The relationship between output voltage/output power of the semiconductor thermoelectric module and the temperature difference between two sides of it was studied. High performance insulation material combining with the cooling circulation system are used to keep the temperature different. With Seebeck effect as the theoretical foundation and simulation of indoor and outdoor temperature difference, generate electricity by the semiconductor thermoelectric power generation modules, cooperated with the corresponding voltage regulator module and the charging module, suitable and efficient DC-DC boost circuit and a lithium battery charging management circuit can be built, then small charging device is produced.

Thermoelectric power generation; Seebeck effect; The output power; Voltage regulator module

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項(2572014BB03)；東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201410225181)。

賈鶴鳴(1983- )，男，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事非線性系統(tǒng)分析與控制研究。

2015-04-23

S 753.51+9

A

0517-6611(2015)17-238-03