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)”。
1.1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]。
2.1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]。
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。
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。
[1]周子鵬.半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的研制[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2008.
[2]柳長(zhǎng)昕.半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究及其應(yīng)用[D].大連:大連理工大學(xué),2013.
[3]黃興洲,薛德寬,劉雪林,等.基于單片機(jī)的自供電供暖溫度智能調(diào)控裝置[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2015(2):73-76.
[4]賈鶴鳴,李敬源,楊明,等.半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的研究[J].新型工業(yè)化,2015(1):34-37.
[5]姜曉麗.半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的研制[D].大連:大連理工大學(xué),2009.
[6]薛永瓊,宋向波,殷紹林,等.半導(dǎo)體溫差發(fā)電性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016(1):21-24.
[7]張歡,靳寶安,寧鐸,等.基于STM32的半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的研制[J].電源技術(shù),2016(2):326-328.
[8]陳國(guó)慶,寧鐸,梁棟平,等.半導(dǎo)體溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀器的研制[J].電子器件,2014(2):275-278.
[9]崔紅雨.半導(dǎo)體溫差發(fā)電器控制與試驗(yàn)研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.
[10]陳國(guó)慶.半導(dǎo)體溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置的研制[D].西安:陜西科技大學(xué),2014.
[11]陳允成.半導(dǎo)體溫差發(fā)電器應(yīng)用的研究[D].廈門:廈門大學(xué),2006.
[12]屈健.低溫差下半導(dǎo)體溫差發(fā)電器設(shè)計(jì)與性能研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2006.
[13]陳允成,呂迎陽(yáng),林玉蘭,陳忠.一種半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2005(S2):198-200.
[14]黃學(xué)章,徐冰,張韜,等.基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的數(shù)碼設(shè)備充電裝置[J].電源技術(shù),2010(8):835-838.
[15]吳郅俊,廖承菌,廖華,等.半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件應(yīng)用探討[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012(5):23-26.
TM6
A
1674-6708(2016)170-0188-02
李咸璞,天津市大港一中。