基于摩擦热的低压温差发电系统研究

杜伟伟张贵生

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

【摘要】通过实验设计了一套基于摩擦热的低压温差发电系统研究，它是由摩擦热能收集器，半导体温差发电器和散热冷源耦合而成。本装置将温差发电片的贴合在摩擦产生热量的导体上，另外一端连接散热片，以提高电片两端的温差，从而提高发电的电压和电流。并将发出的电通过升压电路升压后为蓄电池充电，蓄电池经稳压模块后可为一些要求不高的用电场合供电，如照明用电等一些低功耗的用电场合。

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关键词 温差发电；摩擦热能；半导体

0引言

温差发电技术作为一种能源和环境的战略技术，近年来得到了各国的大力支持和发展。温差发电是利用半导体材料的热电效应，直接将热能转换为电能的一种能量转换技术。它是一种全固态能量转换方式，无需化学反应或流体介质，在发电过程中具有无介质泄露、无磨损、无噪音、体积小、重量轻、移动方便和可靠性高等特点，而且不受温度的限制，因此在低品位热源的回收利用上显示出巨大的优越性。国内在温差发电方面的研究起步相对较晚，主要集中在理论和热电材料的制备等方面的研究。

通过本实验设计并制作了一套摩擦热能温差发电装置，它可以应用于火车内部照明及为火车乘客提供一个手机充电站。将摩擦转换的内能与温差发电技术结合起来，以实现摩擦热能温差发电。

1设计原理

1.1塞贝克效应

温差发电通过热电转换材料得以实现，而检定热电转换材料的标志，在于它的三个基本效应：塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应。1821年，德国人塞贝克发现，在两种不同金属（锑与铜）构成的回路中，如果两个接头处存在温度差，其周围就会出现磁场，又通过进一步实验发现回路中存在电动势。

1.2温差发电原理

将两种不同类型的热电转换材料N和P的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温时，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差；如果将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，形成一个温差发电机。将很多个这样的p-n节串联，再用金属导流板和陶瓷片封装起来，就可以制作成不同规格和性能的温差发电组件。本文是用型号为TEC1-12706-200的温差发电组件，也就是由126对p-n节串联起来，并封装成40mm340mm大小的方块。

为了方便功率的计算，可以对实验对象做以下假设：稳态时输出电流为恒定电流；半导体温差发电片侧面绝热；冷热端的空气对流和辐射影响可以忽略；半导体温差发电片内部导热系数不变。

2模块设计

本系统大致分为升压模块、稳压模块和控制模块三个模块。升压模块是将温差传感器产生的电压信号进行放大传给稳压模块；控制模块则是为了控制升压模块中开关管的导通和关断，是输出达到稳压模块输入信号的范围；稳压模块是为了是电路输出的电压值恒定在+5V，实现稳定的输出。

2.1升降压模块

升降压模块是以Boost电路为基础搭建，由于温差发电片产生的电压变化比较大从零点几伏到几伏不等，所以采用其串并联实现，降低成本提高利用率。

2.2稳压模块

由于升压模块输出的电压会有波动所以在其输出加入了7805的稳压电路，使其获得稳定的5V电压值。

2.3控制器模块

在Boost的电路中为了能够控制其输出电压稳定，其开年关原件的导通和关断时间，而且能够将压电传感器的产生的电压量采集并作为控制信号，并且STM32F103RBT6内部集成了12位的AD转换芯片，所以采用STM32F103RBT6作为控制电路的核，在控制电路中只要搭建出STM32F193RBT6的最小系统就可以完成这样的功能。

3理论设计计算

3.1温差发电器的输出功率和发电效率

温差发电器的性能主要用输出功率和发电效率来描述。为了获得较大的输出功率和电压，实际应用的发电器采用的温差电组件一般由多个温差电偶串联连接而成。设温差电组件由m个温差电偶串联连接而成，那么根据塞贝克效应，回路中产生的温差电动势为：U=mα△TG，此电动势一部分施加到发电器自身的内阻上，另一部分则施加在负载电阻上，因此施加在负载电阻上的电压即为温差发电器的输出电压U0为：U0=mα△TGRL/(mRG+RL)，回路中的电流I0为：I0=mα△TG/(mRG+RL)，因此，由式以上两个公式可得温差发电器的输出功率为：P0=U0I0=(mα△TG)2RL/(mRG+RL)2。由此可知，温差发电器的发电效率或热电转换效率的最大值为：Pmax=(mα△TG)2/4(mRG)2。由此可知，当负载电阻与发电器的内阻相等(匹配)时，发电器获得最大的输出功率。

3.2工作过程及性能分析

将装置安装于火车轨道与其贴合，当有火车来临时即会生热，散热片两端产生温差，6片温差发电组件串联产生的电能作为升压模块的输入电压，经过升压模块升压并稳压后就能为蓄电池进行充电。一段时间后蓄电池充满电，断开充电开关，打开放电电路开关，蓄电池作为电源为一些照明设备提供电能。

4创新点及应用前景

本设计采用先进的半导体温差发电技术，将因摩擦而产生的内能转换为可以为我们所能利用的电能，这本身就是一大创新点。目前无论是国内市场还是国际市场都没有出现过与之类似的产品，仅出现过太阳能温差发电的相关想法和尝试。

本设计存在以下三个创新点。

（１）摩擦内能转换明显——高性能的半导体温差发电片对温度转换的效率提高明显，在很大程度上利用了因摩擦而带来的内能，达到了节能环保的目的。

（2）材料成本低，各部分组成方便——各部分都可做成相应的模块，实际应用时只需将其组装、调试即可安装于现场。

（3）适用领域广泛——可以放在任何摩擦产生热量大的的地方，例如火车站、飞机场、煤矿、工厂、交通设施等。

5结论

基于摩擦热的低压温差发电系统研究，是针对国内及国际上对能源问题的关注，结合三个模块和三个创新点，可以很好地相互配合。经试验证明，本设计具有很好的研究意义和使用价值，适合推广运用。

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［责任编辑：汤静］