半導體溫差發電裝置的製作

2020-11-24 電子發燒友

半導體溫差發電裝置的製作

秩名 發表於 2012-05-24 11:13:18

　　太陽能光伏發電需要有陽光和開闊的朝陽空間，風力發電需要持續的風力和安裝場地。半導體溫差發電不受天氣、場地的制約，日益激發著人們新的綠色慾望。筆者以蜂窩煤熱水爐的進出水為溫差源，製作了一臺半導體溫差發電裝置，原理框圖見上圖。

　　半導體溫差發電是一種將溫差能(熱能)轉化成電能的固體狀態能量轉化方式。發電裝置無化學反應和機械運動，無噪聲、無汙染、無磨損、壽命長。它的核心部件是半導體溫差電偶模塊(因多用於製冷，亦稱半導體致冷片，電子元器件市場大多有售)。將它的兩根引出線連接到萬用表的電壓或電流擋，用體溫傳導到它的一個面，使其兩面形成溫差，指針就會偏轉，實實在在的溫差發電就展現在你的面前。但是，目前半導體溫差電偶模塊熱電轉化效率低，近年有研究表明最高不到5%，這是半導體溫差發電實用化的最大障礙。

　　製作半導體溫差發電裝置的第一件事是選擇溫差源。供一個家庭利用的溫差源十分有限，可說說也挺多。

　　一是炊事溫差，燒天然氣、石油液化氣、煤炭、沼氣等等產生高溫;二是空調、暖氣溫差;三是地溫溫差，庭院井水、溪水與地表的溫差;四是太陽能溫差，用太陽能熱水器、太陽灶獲得熱量;五是冬季冰雪與室內、地下的溫差，等等。但是，利用起來必須滿足方便獲得、經濟、持續和有足夠的能量的要求。實驗表明，對目前通常的半導體溫差發電模塊每提供攝氏1度的溫差可相應產生約0.03V電壓，可見溫差小就沒有實際利用價值。本人之所以選擇蜂窩煤熱水爐的進出水為溫差源，是因為爐火晝夜不熄，爐灶熱水與進水(自來水)的溫差大，夏季攝氏60多度，冬季可達攝氏90多度，且比較穩定。同時利用自來水的壓力解決了能量無耗輸送的難題，只要家庭成員洗菜、洗碗、洗手、洗臉、洗澡等一用熱水，就能獲得理想的溫差。特別需要強調的是，半導體溫差電偶模塊是良好的導熱體，如果兩面沒有高低溫兩種能量的輸送，溫差就不能維持，保溫做得再好，模塊兩面的溫度接近也是枉然。這是許多失敗案例的根本原因。本發電裝置用的是「過路水」，能耗視同為零，同時對熱水的降溫也不十分明顯。中圖是該裝置的結構示意圖。

　　製作要點如下：

　　1.介質導管和高低溫差面的製作

　　將兩根直徑30.5mm、長1000mm的鋁管兩端車絲，以便在使用時經活接頭接人蜂窩煤熱水爐的冷、熱水管路，按圖2剖面的形狀加工後，分別和寬 60mm、厚3mm、長1000mm的鋁條焊在一起，焊接要充分、厚實。鋁條與半導體溫差發電模塊相貼的冷熱端傳導面要平整光滑。再試著將要安裝的半導體溫差發電模塊在冷熱傳導面間間隔排列(筆者一共用了10塊)，然後在鋁板邊緣按每個模塊每邊兩個緊固螺栓鑽好孔。用絕緣板做一個尺寸合適的槽子，用空調保溫套管作保溫材料，將其剪開卡套在熱(水)介質導管上，再將絕緣板槽固定上即可;冷(水)介質導管則無需保溫。

　　2.半導體溫差發電模塊的測試選用與裝配

　　正規廠商提供的半導體溫差模塊一般都有性能指標，你可別讓上面十幾伏几十安的數值弄得眉開眼笑，那是它們致冷制熱的耗電指標，發電它們可低能呢。筆者曾經測試過同一批產品的發電性能，空載電壓有的3.4V有的2.7V，空載電流有的1.6A有的0.7A。只有採用對溫差特別敏感的，才有可能DIY出較理想的發電裝置來。具體的測試方法是：下面用一塊大功率音響拆下的鋁散熱塊什冷源(散熱)，上面把電熨鬥撥到低溫擋作熱源，用萬用表進行測試。注意測試一塊要停頓一下，讓鋁散熱塊冷下來再測下一塊，否則不準。接下來就是對模塊厚度一致性的把握，把稍薄和稍厚的拿下不用，不然整個組件都沒法裝緊。這些工作完後就可以進行溫差發電模塊組件的裝配了，均勻地在模塊雙面薄薄塗上導熱矽脂，逐片擰上四個緊固螺栓，模塊被卡緊不能移動就算裝好。

　　3.發電模塊組件的連接。

　　將溫差發電裝置接入冷、熱水管路，機械裝配完成。接著就是對發電模塊單體發電工作狀態的檢測，看看有沒有電壓電流明顯偏低的。如果有多半是沒有被緊固螺栓卡緊，需要採取措施解決，否則在並聯中將成為負載，在串聯中成為電流「瓶頸」。半導體溫差發電模塊正反向電阻很低。且差別不太大，攝氏10度溫差時僅幾歐至十幾歐，這時它難與負載匹配，發電效率極低，但隨著溫差的加大迅速上升至幹歐級。由於安裝面向的關係，紅黑引線並不代表實際的正負，檢測單體發電工作狀態的同時也弄清了正負極。可以根據負載的情況進行並聯、串聯的連接。半導體發電模塊組件的總功率並不等於單體功率的簡單相加，會遠小於它，尤其是並聯狀態。筆者將10塊單體發電模塊全部串聯。小流量使用熱水，開路電壓為13.93V，開路電流345mA(時為夏季，冬季自來水溫度將下降攝氏20～25 度，溫差增加攝氏15～20度，功率要比夏季大得多)：熱水停用，開路電壓為6.23V，開路電流7mA。

　　4.控制電路的製作。

　　該發電裝置在夏季便可以直接帶動9V的直流小風扇或50粒的LED燈，但只能與熱水同步。如要擴大供電範圍靈活用電，需要配置控制電路和蓄電池。筆者使用的控制電路是依據《電子報》上一款充電控制器原理圖製作的，因尊重設計者的勞動在此就不依樣畫葫蘆。為了滿足對此有興趣的讀者，筆者另製作了一個簡易實用的控制電路，見下圖。

　　由三端可編程集成電路TLA31和三極體C2500組成穩壓充電控制電路。該電路適應輸入電壓的大範圍變動，輸出電壓可調且穩定精度較高。其中R2、R3為TL431參考電壓Vref的調整電阻，改變它們的阻值便可調整輸出電壓的高低，筆者在調試時取R2=16.81kΩ、 R3=12.05kΩ，輸出電壓穩定在7V，並承受輸入電壓從9V到20V(甚至更高，未測)的大幅變化。三極體要求耐壓30V、電流大於0.5A、 hFE120以上的。D1是隔離二極體，接人電路有0.5V左右的壓降，設定輸出電壓值時應當考慮進去。該電路給6V鉛酸蓄電池充電效率較高，接近充滿即轉入涓流充電，直至電流為零，不會發生過充現象。若將輸出電壓調在4.2V，可快速地給3.6V的手機電池充電。蓄電池的過放保護由逆變器承擔(欠壓報警)，此不贅述。

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