齊鳳河，胡家旺，熊春宇

(1.大慶師范學院 物理與電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163712；2.大慶石化公司 熱電廠，黑龍江 大慶 163714)

0 引言

電焊作業(yè)時，焊點處溫度能達到幾千攝氏度，即使被焊接的鋼體體積和面積很大，電焊作業(yè)時被焊接的鋼體材料也有很高的溫度。通常，電焊時產生的這部分熱量都是自然的散失，沒有加以回收利用，造成浪費。為了能合理回收利用電焊作業(yè)時產生的大量的熱量，本文以塞貝克效應為理論基礎，采用半導體溫差發(fā)電的原理，將電焊時產生的熱量加以回收，轉換成電能再利用。

1 熱能收集轉換裝置的設計

熱能收集轉換裝置主要包括熱電轉換模塊和LTC3108升壓轉換模塊兩部分構成，其電路原理圖如圖1所示。

圖1 熱能收集轉換裝置電路原理圖

1.1 溫差發(fā)電

溫差發(fā)電又叫熱電發(fā)電，是一種綠色環(huán)保的發(fā)電方式。溫差發(fā)電技術具有結構簡單，堅固耐用，無運動部件，無噪聲，使用壽命長等優(yōu)點?？梢院侠砝锰柲?、地熱能、工業(yè)余熱廢熱等低品位能源轉化成電能。溫差發(fā)電技術的研究最早開始于20世紀40年代[1]。

1.1.1 塞貝克效應

溫差發(fā)電模塊利用的是半導體的熱電效應。熱電效應包括三個基本效應：塞貝克效應、珀爾帖效應和湯姆遜效應[2-3]。這三個效應通過開爾文關系式聯系在一起。熱電效應還伴隨產生了其他效應如：焦耳熱效應和傅里葉效應。

在溫差發(fā)電中，主要利用了溫差電材料的塞貝克效應。在由兩種不同導體構成的閉合回路中，當兩個節(jié)點溫度不同時，回路中有熱電流產生，這就是塞貝克效應，如圖2所示。不同材料a、b兩端節(jié)點存在溫差ΔT，便會產生塞貝克電勢ε。

ε=αS(T2-T1)

式中：T1為低溫端溫度，單位K；T2為高溫端溫，單位K；αS為所用熱電轉換材料的塞貝克系數，單位V/K。

1.1.2 溫差發(fā)電的原理

溫差發(fā)電是基于熱電材料的塞貝克效應發(fā)展起來的一種發(fā)電技術，將P型和N型兩種不同類型的熱電材料(P型是富空穴材料，N型是富電子材料)一端相連形成一個PN結，如圖3所示，置于高溫狀態(tài)，另一端形成低溫，則由于熱激發(fā)作用，P(N)型材料高溫端空穴(電子)濃度高于低溫端，因此在這種濃度梯度的驅動下，空穴和電子就開始向低溫端擴散，從而形成電動勢，這樣熱電材料就通過高低溫端間的溫差完成了將高溫端輸入的熱能直接轉化成電能的過程[4]。單獨的一個PN結，可形成的電動勢很小，而如果將很多這樣的PN結串聯起來，就可以得到足夠高的電壓，成為一個溫差發(fā)電器。

圖2 塞貝克效應示意圖

圖3 溫差發(fā)電原理示意圖

1.2 LTC3108升壓轉換模塊

1.2.1 LTC3108的結構

LTC3108是一款高度集成的DC/DC轉換器，非常適合于收集和管理來自諸如TEG(熱電發(fā)生器)、熱電堆和小型太陽能電池等極低輸入電壓電源的剩余能量。該器件所采用的升壓型拓撲結構可在輸入電壓低至20mV的情況下正常工作。

LTC3108采用一個內部MOS開關，一個外接變壓器和一個小的耦合電容形成一個振蕩器，能夠將20mV的電壓放大到2.2V、2.35V、3.3V、4.1V和5V多種輸出電壓，為微處理器、傳感器和無線模塊等器件提供穩(wěn)定電源。

1.2.2 LTC3108的輸出

LTC3108具有多個電壓輸出端，可以提供不同的供電模式。具體如下：

VLDO：2.2V穩(wěn)壓輸出。使用時需要與地之間接一個2.2uF或者更大的電容器提高穩(wěn)定性，可提供的最小電流為4mA。

VOUT：主輸出。輸出電壓可由VS1和VS2進行設置，輸出四種不同電壓模式，如表1所示。

表1 主輸出電壓設置表

VOUT2：開關輸出，輸出電壓同主輸出，可由主微處理器采用VOUT2_EN引腳來控制其接通和關斷。當被使能時，VOUT2通過一個P溝道MOSFET開關與負載相連。該輸出可用于為諸如傳感器或放大器等不具備低功率睡眠或停機功能的外部電路供電。當不被使用時，此管腳應懸空或是與VOUT相連。此輸出最大輸出電壓為0.3A。

VSTORE：能量存儲。VSTORE腳可以外接非常大的電容(幾千PF甚至幾F)，以便在失去輸入電源的時候提供保持作用。一旦上電操作完成，則主輸出、穩(wěn)壓輸出和開關輸出均可使用。如果輸入電源發(fā)生故障，則操作仍然能夠借助VSTORE腳的外接電容器的供電而得以持續(xù)。VSTORE輸出可用于在VOUT達到穩(wěn)壓狀態(tài)之后對一個大存儲電容器或可再充電電池進行充電。在VOUT達到穩(wěn)壓狀態(tài)以后，允許VSTORE輸出充電電壓(該電壓被箝位于5.3V)。VSTORE上的電能存儲元件不僅能夠在失去輸入電源的情況下用于給系統(tǒng)供電，而且還能夠在輸入電源所具備的能量不足時用于補充VOUT、VOUT2和VLDO輸出所需要的電流。

PGD：正常輸出電壓指示。當主輸出的電壓誤差在規(guī)定值的7.5%以下時，PGD管腳通過一個10MΩ的上拉電阻和VLDO相連，輸出高電平。如果主輸出的電壓誤差超過規(guī)定的值的9%，PGD管腳輸出低電平。

2 系統(tǒng)可行性分析

將P型半導體和N型半導體在熱端連接，則在冷端可得到一個電壓，一個PN連結所能產生的電動勢有限，將很多個這樣的PN連結串聯起來就可得到足夠的電壓，然后將串聯PN結并聯，得到足夠的電流，成為一個溫差發(fā)電機。這樣的溫差發(fā)電機完全沒有轉動部分，因此非?？煽?。由于本文采用LTC3108低輸入電壓升壓轉換模塊，在輸入電壓高于20mV情況下就可以正常工作，輸出電壓可以給微處理器、傳感器供電；再加上電焊時被焊鋼體溫度非常高，能產生非常大的冷熱溫差。因此，半導體串聯數量不需要很多，這樣可以在有限的面積內放置足夠的并聯PN結，以滿足所需電流要求。

3 結語

本文設計了一種基于溫差發(fā)電和LTC3108低輸入電壓升壓轉換模塊的電能收集充電器。該裝置可以收集電焊工作時產生的大量熱量，將熱量轉換為電能，為微處理器和傳感器供電，變廢為寶，節(jié)能環(huán)保，具有良好的推廣和使用價值。

[參考文獻]

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[4] 趙建云，朱冬生，周澤廣，等.溫差發(fā)電技術的研究進展及現狀[J].電源技術，2010(3):310-313.

[5] 時海濤，李林，王心剛，等.基于單片機的電能收集充電器設計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2011(3):103-106.

[6] 袁之亦，郭佳婧.智能電能收集充電裝置設計與制作[J].儀表技術，2011(12):50-52.