李咸璞天津市大港一中，天津 300270

基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的便攜照明裝置

李咸璞
天津市大港一中，天津 300270

本文研究了半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊輸出功率與冷熱面溫差的關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種無(wú)需電池的便攜式照明裝置，裝置主要包括半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊、小功率LED發(fā)光模塊、穩(wěn)壓電路模塊。半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊利用體溫與環(huán)境的溫差發(fā)電，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓整流，為小功率LED發(fā)光模塊提供穩(wěn)定的電流。

溫差發(fā)電；半導(dǎo)體；LED

便攜式照明裝置是我們生活中不可缺少的工具，傳統(tǒng)便攜式照明燈需要電池作為電源，此類產(chǎn)品有以下兩個(gè)問(wèn)題，一是需要頻繁充電或者更換電池，尤其在不方便充電的戶外時(shí)，會(huì)給用戶帶來(lái)極大不方便；二是廢電池污染環(huán)境。目前半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)日趨成熟，其利用體溫與環(huán)境的溫差即可滿足小功率LED的供電需求，并且溫差發(fā)電不受地點(diǎn)，天氣等條件的影響，隨時(shí)可以工作，能夠滿足應(yīng)急情況下的照明需要，此裝置也不需要電池作為儲(chǔ)能，減少了電池的使用，符合國(guó)家提出的“生態(tài)文明建設(shè)”。

1 溫差發(fā)電原理

1.1塞貝克效應(yīng)

在兩種不同材料的導(dǎo)體組成的閉合回路中，若兩種導(dǎo)體材料的溫度不同，分別為（T1，T2），在接觸點(diǎn)存在溫差時(shí)，此閉合回路中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，溫差與產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)在一定范圍內(nèi)滿足以下公式［1］：

1.2溫差半導(dǎo)體片

如圖1所示，溫差半導(dǎo)體片由導(dǎo)熱陶瓷基片、金屬導(dǎo)電層、P（N）型熱電材料等組成。其一端處于高溫狀態(tài)，另一端處于低溫狀態(tài)下，因?yàn)闊峒ぐl(fā)作用，P型材料高溫端空穴濃度會(huì)高于低溫端，在濃度梯度的作用下，空穴將會(huì)擴(kuò)散到低溫的一端，因此P型材料低溫端帶正電，高溫端帶負(fù)電［3］；N型材料由于熱激發(fā)作用，高溫端的自由電子擴(kuò)散到低溫端，因此N型材料低溫端帶負(fù)電，高溫端帶正電。同時(shí)，高溫與低溫端會(huì)在導(dǎo)體中建立起一個(gè)靜電場(chǎng)，阻止帶電粒子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到靜電平衡時(shí)，半導(dǎo)體兩端就會(huì)形成有一定大小的電動(dòng)勢(shì)［4-7］。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1溫差發(fā)電模塊

溫差發(fā)電模塊整體設(shè)計(jì)為正六角柱筒，如圖2，6片溫差半導(dǎo)體片鑲嵌在正六角柱筒的6個(gè)側(cè)面上，冷端朝內(nèi)，熱端朝外，正六角柱筒的材質(zhì)為硬質(zhì)塑料，溫差半導(dǎo)體片型號(hào)為TEP1-097T200，尺寸為20mm×40mm×3.4mm，最大耐溫200℃。由于溫差半導(dǎo)體片熱端和冷端相距較近，容易發(fā)生熱傳遞，因此維持兩端的溫度差是發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。為獲得最大發(fā)電功率，溫差半導(dǎo)體片冷端通過(guò)導(dǎo)熱硅脂膠黏貼在鋁制散熱塊上，鋁制散熱塊可以帶走溫差半導(dǎo)體片熱端傳遞到冷端的熱量，使冷端始終保持環(huán)境溫度［8-10］。熱端作為正六角柱外側(cè)面的一部分，當(dāng)用手掌握持本裝置時(shí)，直接與手掌接觸，充分吸收人體溫度。

半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊在實(shí)際應(yīng)用中相當(dāng)于一個(gè)隨著外界環(huán)境溫度變化的有內(nèi)阻的直流電壓源，其串并聯(lián)特性與電壓源一樣，即串聯(lián)時(shí)電流不變，電壓為各個(gè)串聯(lián)模塊輸出電壓之和，總內(nèi)阻為各個(gè)串聯(lián)模塊內(nèi)阻之和；并聯(lián)時(shí)電壓不變，電流為各個(gè)并聯(lián)模塊電流之和，總內(nèi)阻按照并聯(lián)電阻計(jì)算。無(wú)論是串聯(lián)還是并聯(lián)，其總功率都為各個(gè)模塊輸出功率之和［11］。生產(chǎn)廠家提供的TEP1-097T200溫差半導(dǎo)體片的參數(shù)如圖3，根據(jù)圖3所示參數(shù)，本文采用串聯(lián)的方式發(fā)電。

2.2穩(wěn)壓電路

根據(jù)賽貝克效應(yīng)的發(fā)電原理可知，如果溫差半導(dǎo)體片兩端的溫差變化時(shí)，其輸出的電壓也是不穩(wěn)定的［12］，為了保證LED的正常工作，需要一個(gè)穩(wěn)壓電路，本文采用可調(diào)集成穩(wěn)壓器LM317，其電路圖如圖4。

圖4所示穩(wěn)壓電路最大輸出電流為2.2A，電壓的輸出范圍為1.25～37V，1、2腳之間為1.25V電壓基準(zhǔn)，改變R2阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值，為了使得穩(wěn)壓器的輸出性能穩(wěn)定，R1需要小于240Ω。輸出電壓Uo可由（2）式計(jì)算得到［13］。

3 工作性能分析

本裝置正常工作時(shí)，熱端吸收手掌溫度，穩(wěn)定在32℃左右；考慮到本便攜式照明裝置冷端與環(huán)境溫度相近，且本裝置主要在野外夜間使用，我國(guó)野外夜間溫度一般低于10℃，為保證裝置的環(huán)境適用性，實(shí)驗(yàn)中冷端取環(huán)境溫度為10℃［14，15］。在溫差固定的情況下，多次測(cè)量1片TEP1-097T200溫差發(fā)電片的輸出特性，結(jié)果如表1。

表1　溫差半導(dǎo)體開(kāi)路電壓、電流數(shù)據(jù)表

本文采用3顆相同的LED并聯(lián)組成LED照明模塊，每顆功率為60MW，額定電壓為3V，溫差發(fā)電模塊輸出的電壓經(jīng)穩(wěn)壓模塊后，穩(wěn)定輸出3V電壓給LED照明模塊供電。本裝置正常工作時(shí)，LED照明模塊兩端電壓、電流數(shù)據(jù)如表2。

表2　LED照明模塊兩端電壓、電流數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1和表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，溫差發(fā)電模塊利用體溫與環(huán)境溫度的溫差發(fā)電功率為0.3W左右，LED照明模塊的額定功率為0.18W，所以溫差發(fā)電模塊可以很好滿足裝置正常工作的需要。

4 結(jié)論

根據(jù)上面的設(shè)計(jì)，溫差發(fā)電模塊利用手掌溫度與野外夜間環(huán)境溫度的溫差發(fā)電，其輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后，可以滿足LED正常工作需要。本便攜式照明裝置使用方便，充分利用了綠色能源，可以很好地解決野外工作人員應(yīng)急的照明需要。

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李咸璞，天津市大港一中。