半导体温差发电装置的制作

半导体温差发电装置的制作,Thermo-electric power generator

作者：阎智广 　　太阳能光伏发电需要有阳光和开阔的朝阳空间，风力发电需要持续的风力和安装场地。半导体温差发电不受天气、场地的制约，日益激发着人们新的绿色欲望。笔者以蜂窝煤热水炉的进出水为温差源，制作了一台半导体温差发电装置，原理框图见上图。 　　半导体温差发电是一种将温差能（热能）转化成电能的固体状态能量转化方式。发电装置无化学反应和机械运动，无噪声、无污染、无磨损、寿命长。它的核心部件是半导体温差电偶模块（因多用于制冷，亦称半导体致冷片，电子元器件市场大多有售）。将它的两根引出线连接到万用表的电压或电流挡，用体温传导到它的一个面，使其两面形成温差，指针就会偏转，实实在在的温差发电就展现在你的面前。但是，目前半导体温差电偶模块热电转化效率低，近年有研究表明最高不到5％，这是半导体温差发电实用化的最大障碍。 　　制作半导体温差发电装置的第一件事是选择温差源。供一个家庭利用的温差源十分有限，可说说也挺多。 　　一是炊事温差，烧天然气、石油液化气、煤炭、沼气等等产生高温；二是空调、暖气温差；三是地温温差，庭院井水、溪水与地表的温差；四是太阳能温差，用太阳能热水器、太阳灶获得热量；五是冬季冰雪与室内、地下的温差，等等。但是，利用起来必须满足方便获得、经济、持续和有足够的能量的要求。实验表明，对目前通常的半导体温差发电模块每提供摄氏1度的温差可相应产生约0.03V电压，可见温差小就没有实际利用价值。本人之所以选择蜂窝煤热水炉的进出水为温差源，是因为炉火昼夜不熄，炉灶热水与进水（自来水）的温差大，夏季摄氏60多度，冬季可达摄氏90多度，且比较稳定。同时利用自来水的压力解决了能量无耗输送的难题，只要家庭成员洗菜、洗碗、洗手、洗脸、洗澡等一用热水，就能获得理想的温差。特别需要强调的是，半导体温差电偶模块是良好的导热体，如果两面没有高低温两种能量的输送，温差就不能维持，保温做得再好，模块两面的温度接近也是枉然。这是许多失败案例的根本原因。本发电装置用的是“过路水”，能耗视同为零，同时对热水的降温也不十分明显。中图是该装置的结构示意图。      制作要点如下： 　　1.介质导管和高低温差面的制作
    将两根直径30.5mm、长1000mm的铝管两端车丝，以便在使用时经活接头接人蜂窝煤热水炉的冷、热水管路，按图2剖面的形状加工后，分别和宽60mm、厚3mm、长1000mm的铝条焊在一起，焊接要充分、厚实。铝条与半导体温差发电模块相贴的冷热端传导面要平整光滑。再试着将要安装的半导体温差发电模块在冷热传导面间间隔排列（笔者一共用了10块），然后在铝板边缘按每个模块每边两个紧固螺栓钻好孔。用绝缘板做一个尺寸合适的槽子，用空调保温套管作保温材料，将其剪开卡套在热（水）介质导管上，再将绝缘板槽固定上即可；冷（水）介质导管则无需保温。 　　2.半导体温差发电模块的测试选用与装配
    正规厂商提供的半导体温差模块一般都有性能指标，你可别让上面十几伏几十安的数值弄得眉开眼笑，那是它们致冷制热的耗电指标，发电它们可低能呢。笔者曾经测试过同一批产品的发电性能，空载电压有的3.4V有的2.7V，空载电流有的1.6A有的0.7A。只有采用对温差特别敏感的，才有可能DIY出较理想的发电装置来。具体的测试方法是：下面用一块大功率音响拆下的铝散热块什冷源（散热），上面把电熨斗拨到低温挡作热源，用万用表进行测试。注意测试一块要停顿一下，让铝散热块冷下来再测下一块，否则不准。接下来就是对模块厚度一致性的把握，把稍薄和稍厚的拿下不用，不然整个组件都没法装紧。这些工作完后就可以进行温差发电模块组件的装配了，均匀地在模块双面薄薄涂上导热硅脂，逐片拧上四个紧固螺栓，模块被卡紧不能移动就算装好。 　　3.发电模块组件的连接。
   将温差发电装置接入冷、热水管路，机械装配完成。接着就是对发电模块单体发电工作状态的检测，看看有没有电压电流明显偏低的。如果有多半是没有被紧固螺栓卡紧，需要采取措施解决，否则在并联中将成为负载，在串联中成为电流“瓶颈”。半导体温差发电模块正反向电阻很低。且差别不太大，摄氏10度温差时仅几欧至十几欧，这时它难与负载匹配，发电效率极低，但随着温差的加大迅速上升至干欧级。由于安装面向的关系，红黑引线并不代表实际的正负，检测单体发电工作状态的同时也弄清了正负极。可以根据负载的情况进行并联、串联的连接。半导体发电模块组件的总功率并不等于单体功率的简单相加，会远小于它，尤其是并联状态。笔者将10块单体发电模块全部串联。小流量使用热水，开路电压为13.93V，开路电流345mA（时为夏季，冬季自来水温度将下降摄氏20～25度，温差增加摄氏15～20度，功率要比夏季大得多）：热水停用，开路电压为6.23V，开路电流7mA。 　　4.控制电路的制作。
    该发电装置在夏季便可以直接带动9V的直流小风扇或50粒的LED灯，但只能与热水同步。如要扩大供电范围灵活用电，需要配置控制电路和蓄电池。笔者使用的控制电路是依据《电子报》上一款充电控制器原理图制作的，因尊重设计者的劳动在此就不依样画葫芦。为了满足对此有兴趣的读者，笔者另制作了一个简易实用的控制电路，见下图。 　　由三端可编程集成电路TLA31和三极管C2500组成稳压充电控制电路。该电路适应输入电压的大范围变动，输出电压可调且稳定精度较高。其中R2、R3为TL431参考电压Vref的调整电阻，改变它们的阻值便可调整输出电压的高低，笔者在调试时取R2=16.81kΩ、R3=12.05kΩ，输出电压稳定在7V，并承受输入电压从9V到20V（甚至更高，未测）的大幅变化。三极管要求耐压30V、电流大于0.5A、hFE120以上的。D1是隔离二极管，接人电路有0.5V左右的压降，设定输出电压值时应当考虑进去。该电路给6V铅酸蓄电池充电效率较高，接近充满即转入涓流充电，直至电流为零，不会发生过充现象。若将输出电压调在4.2V，可快速地给3.6V的手机电池充电。蓄电池的过放保护由逆变器承担（欠压报警），此不赘述。