半导体温差发电技术在温室林木幼苗抚育中的应用

贾鹤鸣，李敬源，杨 明，溥涛野，王 冠

(东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)



半导体温差发电技术在温室林木幼苗抚育中的应用

贾鹤鸣，李敬源，杨 明，溥涛野，王 冠

(东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

针对北方地区冬季温室内外存在较大温差的情况，将半导体温差发电技术引入温室林木育苗中，利用温差产生的电能补充温室照明或辅助电能储备，为实现林业现代化和绿色林业发展提供了技术参考。该文对所设计的半导体温差发电器的输出电压、输出功率与冷热端温差关联进行探索，采用高性能的隔热材料以及冷却循环降温措施模拟室内外温差并使得温差始终保持较高数值，根据塞贝克原理，发电模块实现热能到电能的转换利用，并开发合适高效的DC-DC升压电路和锂电池充电管理电路，组建成了一个小型的发电储能装置。

温差发电；塞贝克效应；输出功率；稳压模块

目前社会和科技的发展致使能源消耗日益加剧，可利用的环境资源越来越少。这对开发新的能源技术有了更高的要求，如何做到人与自然的和谐发展是当前迫在眉睫的事情[1-4]。半导体温差发电装置技术的产生为解决能源危机提供了新的方向，它具有环保绿色、循环利用、安全可靠、经济效益好等优点，所以发展前景极为广阔[5]。近年来，热电技术迎来飞速发展，温差发电技术又是热电领域最有代表性的一个分支。该技术具有环保、无噪声、工作安全可靠等一系列优点，因而其应用可涉及军事与航天、汽车尾气发电、工业余热发电、生活余热发电等诸多领域[6]。

目前，环境问题凸显，已经对人们的日常生活和工业生产产生巨大的影响，森林资源保护和发展显得更加重要。林业幼苗抚育是林业发展的基础，幼苗抚育质量直接关系到未来林木的质量和林地的生产力。因此，对温室林木幼苗抚育的研究具有很强的现实意义。如何将先进的自动化技术应用于温室育苗中也就成为了重要的研究课题。针对北方地区冬季温室内外存在较大温差的情况，将半导体温差发电技术引入温室林木育苗中，利用温差产生的电能补充温室照明或辅助电能储备，为实现林业现代化和绿色林业发展提供了技术参考。考虑热电材料自身因素和环境因素的影响，大多数温差发电装置的热转化效率很低，因此在设计中为了提高效率，将多组温差发电片连接，另外采用高性能保温材料和可控风扇冷却模拟室内外温差并使得温差保持在一个相对理想的数值下使能量利用率进一步提高。

1 发电装置的基本构成及原理

1.1 直流电产生模块 该文设计的发电装置系统框架如图1所示，主要涵盖以下几部分：发电部分、稳压电路以及充电管理部分。其中温差发电部分由多片半导体发电片、热端以及冷水循环散热3个部分构成，在实际试验操作中，仅需要给该部分提供一定的温度差异，则该发电部分的两端将产生电压差，从而为可充电设备提供电能。但是另一方面由于温差的不稳定会导致产生的电压不稳定，无法给充电设备提供正常的供电电压，因而必须对产生的电压进行稳压处理，然后方可利用稳定的电压。稳压电路要达到的功能是将不稳定的直流电能转换成稳定可利用的直流电能。充电管理部分的目的是对设备进行充电管理。

直流电的产生主要是运用TEG1-241-2.0-1.2型半导体温差发电片将热能转换为直流电能。根据热电效应，将2种不同特性的半导体物理结合，同时使一端置于高温环境，另一端处于低温环境，这样在温度低的一端就会产生电动势，经大量试验表明，所产生的电动势与冷热表面温度差异的关系有以下正比关系，即：

ΔU=ΔT×α

(1)

其中ΔU为产生的电动势，ΔT为冷热环境的温差，α为塞贝克系数，其单位是 V/K 或 μV/K，塞贝克系数是由材料本身的结构所决定。工作方式如图2所示。

1.2 稳压电路 由于存在热端温度的不稳定以及冷端散热处理不及时，发电片两端的温度都会出现一定范围的波动，因而输出电压不稳定。为此设计一个有效的电路方案用来解决输出直流不稳定的问题。

稳压电路设计分析：①半导体发电部分产生不稳定直流电压1.2～4.8 V；②目前大多数待充设备的供电电压为5 V；③稳压电路需要较高安全性能。综上所述，该研究决定使用LM317芯片，LM317输出可以连续调节，应用极为广泛。它具有许多显著特性：①输出电压调节范围1.25～37.00 V，输出电流达1.5 A；②典型线性调整率仅0.01%，典型负载调整率仅0.1%，80 dB纹波抑制比，比其他稳压器性能优良；③针对电路可能出现的安全问题，设计了短路保护、过热过载保护和安全工作区保护等，保障整体电路稳定高效的使用；④芯片能在温室温度和湿度范围内稳定工作。

稳压电路图如图3所示。查阅官方提供的数据手册，可以得到调节输出电压的方法。假定标称参考电压(Vref)1.25 V，其经由电阻Radj-1转换成编程电流，再通过Radj-2到GND。

输出电压Vout可以由如下公式给出：

(2)

根据充电管理部分的基本要求，合理搭配电位器Radj-1、Radj-2的阻值，就能获得预期电压。

1.3 充电管理电路 充电管理电路的设计选用锂离子电池充电管理芯片TP4056，TP4056是一款恒压、恒流的线性充电器，广泛运用于移动电话、监视设备、各种充电储能器件中。其拥有较强大的功能特性：①电池的温度监控，能实现在无过热情况下充电速率最大化的热调节功能；②充电电压精度高，能达±1%精度指标；③采用带有散热片的8引脚SOP封装，预置的欠压保护和自动再充电功能，较强环境适应能力，保证在温室温度和湿度范围内芯片安全稳定的工作；④预设充电指示管脚，进行充电情况的监视。

输入的电压达到电源低电压阈值，预充模式开始；当2.90 V

2 工作过程及性能测试

2.1 工作过程 该文所设计发电装置外观如图5所示。在温室应用中，可将装置安装于通风口、温室外墙等位置。装置工作的流程是，首先温差片产生电动势作为后续稳压部分的电源输入，当电压达到稳压电路的启动电压 2.0 V 时，通过稳压电路整流，就可以为温室补充照明或者辅助电能储备；同时产生电能在单片机控制下驱动风扇，利用生成的部分电能给冷端散热片进行降温处理，风扇消耗的功率将随着温差进行变动。控制思想是当温差范围在能使温差发电片发电效率较高值时，风扇是以低转速运行，减少功率的消耗；而当温差小于设定的最低温差20 ℃时，风扇将开启全速运行模式，加快冷端温度降低速度，保持较大的温差，从而保证温差发电组件的较高输出功率。当热端最高温度高于温差片的工作范围时，单片机将控制数码管显示进行警告。此外冷热端配置的温度传感器也能实时反映温室温度的变化，并和现阶段幼苗生长需求温度对比，进而确定温室温度的调节趋势和方法。

2.2 性能测试与分析 在试验过程中采用铝壳式PTC加热器作为热源进行模拟，采用模块化测试的方法，先对各个模块进行测试然后进行整体测试。

在不同温差、不同负载下对发电装置的功率进行测试，得到功率效应曲线。由图6可知，在负载相同，温差20、60、100 ℃时功率变化呈现递增趋势，即随温差的增大，输出功率呈现较大提升。

在温室中进行整体性能测试，将装置安装于温室通风口处，测得热端温度范围为25～30 ℃，冷端温度为-20 ℃左右，直流电产生模块输出2～5 V不稳定电压，能产生2 W左右的输出功率。输出电压经稳压电路后，输出稳定的5 V电压供给照明设备、充电储能设备和内部单片机。笔者进行了照明和充电储能的测试，结果如下。

(1)照明测试：在2 h的测试过程中，产生电能持续维持2个0.5 WLED超亮节能灯泡提供温室光照，且整个测试过程中温差发电装置一直保持良好的运行状态，各个模块均未出现问题，可见该装置能很好地适应温室环境。

(2)充电储能测试：为直观体现装置发出的电能，以手机充电时间作为衡量，选用摩托罗拉V8手机进行充电储能的测试，结果表明原版充电器充电时间为100 min，半导体充电装置充电时间为104 min。

经过和原充电器充电时间进行比较可以得到，使用2种方式对手机进行充电，时间差别在±5%以内，属于正常充电需求；充电过程中，充电设备没有出现过热的情况，并在充电完成时，充电完成提示指示灯进行提示充电完成。由上述试验可以看出半导体温差发电在温室林木幼苗抚育中具有很好的运用前景，可以通过增加发电片的数量和做好保热装置的设计，有效提高供电的能量和效率，半导体发电应用于温室温差发电中是可行的，并且具有较好的工程应用前景。

3 结论

此次设计装置的特点：该发电装置能利用温室林木幼苗抚育环境中热能，在20～100 ℃的温差下，能够输出电压 2.0～4.6 V、 电流 0.5～1 A 的不稳定直流电源，能产生一整套供电解决方案，并结合单机片的运用，帮助调节合适的幼苗抚育温度；另一方面该装置的稳压充电部分，可将发电装置所产生的不稳定直流源转换为5 V(±3%)的稳定直流电，可用于提供幼苗生长所需要的适度光照，并能进行温室辅助充电储备。在某些特定的场合，比如在温室林木幼苗抚育中，以及野外、高寒偏远山区等地方，这种温差发电装置的利用将会越来越广泛。

[1] 高敏，张景韶，ROWE D M.温差电转换及其应用[M].北京：兵器工业出版社，1996：24-97.

[2] 黄泽铣.热电偶原理及其检定[M].北京：中国计量出版社，1993：4-9.

[3] 王洪辉，庹先国，余小平． 基于单芯片的锂电池/组充电器设计[J]．能源技术，2009，33(2)：127-130.

[4] 刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学[M].北京：电子工业出版社，2008：350-365.

[5] 叶剑锋.半导体温差发电系统研究及电热式试验台设计[D]．北京：北京交通大学，2012.

[6] ROWE D M.Thermoelectrical environmentally-friendly source of electrical power[J].Renewable Energy，1999，16：1251-1256.

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

中央高校基本科研业务费专项(2572014BB03)；东北林业大学大学生创新创业训练计划项目(201410225181)。

贾鹤鸣(1983- )，男，黑龙江哈尔滨人，副教授，博士，硕士生导师，从事非线性系统分析与控制研究。

2015-04-23

S 753.51+9

A

0517-6611(2015)17-238-03