低温热能转化为电能自供电装置的研究.docx

0?引言

用户热量表是集中供暖系统实现热量分户计量的重要仪表。给热量表供电一般采用网络总线供电和电池供电两种方式。采用总线供电会遇到管线布置走向、穿管以及提前剔槽预埋等一系列复杂问题，这样就间接造成了工期拖长、费用加大、扩展系统及网络兼容等。目前采用的有线远程热量计量系统中，由于管线敷设距离较长造成的管线短路、断裂等问题越来越明显，加上本身的线路复杂，很大程度上加大了线路维护的难度。系统断电后，不得不采用第二电源电池供电，第二电源超过负担的时间，就会造成系统计数与机械表头读数的误差。电池供电存在使用年限短、供电电流小等问题，难以满足5~6年的使用期限的要求，随着使用年限的增加，利用率会更低，当电池电压降无法满足热量表的需求时，电池电量就会使系统处于无法开启和关闭锁闭阀的状态，导致锁闭阀失去控制。第二电源无法保证热量表网络大批量动态数据实时传输所需要的电量，长时间在此状态下工作，热量表会在其使用年限之前损坏。

1?自供电装置结构图

针对上述问题，本文设计了一种自供电装置，以供暖系统中的暖气片或者暖气管道为热源，利用温差发电原理，将低温热能转化为电能，使用充电泵和DC/DC变换器升压稳压，用于给热量表供电，也可给充电电池充电。如图1所示，自供电装置主要包括两部分：温差发电模块和稳压模块。下文将详细介绍各部分的工作原理。

图1自供电装置的结构示意图

2?温差发电模块原理

温差发电模块的构造主要包括两部分：温差发电器件和散热器。

温差发电借助了塞贝克效应，利用能量守恒原理，把热能转换为电能。这是一种比较新颖的发电方式，利用了塞贝克电压与热冷两端温度差成正比[2]的工作原理。随着半导体技术的发展和研究，半导体温差发电技术引起了世界范围内的极大关注，制造出了热能与电能相互转换的温差发电器件。温差半导体发电存在一系列的优势，比如没有噪音污染、使用性能稳定及使用寿命长等，即使在恶劣的环境下，如-40℃的低温情况下，也能正常工作。由于这些优势的存在，使其使用情况越来越得到相应的重视。其工作原理是将温差设置在不同性质的两块半导体两端，这样两者之间就产生了直流电压，温差发电器件通常是由P、N两种不同类型的半导体温差发电材料，经电导率较高的导流片串联，并将导流片固定于导热系数较小的陶瓷片上构成[3]。Bi2Te3、PbTe、SiGe等固溶体合金，都是重要的温差电材料。本研究使用的温差电材料是Bi2Te3，温差发电器件结构图如图2所示。

图2温差发电装置的结构示意图

图3散热装置的结构示意图

温差发电器长度和宽度都为40mm，厚度仅为4mm，并包含127对PN结，具有适应恶劣环境的特性（如高温等）。特殊的工作特性保证其即使在180℃的温度下也可正常工作，甚至在220℃的高温下也可短暂工作。为使温差发电器件的热面与热源紧密接触，将导热片置于温差发电模块的热面与热源之间，并将导热硅脂涂抹在导热片表面。由于温差发电器件本身厚度非常小，因此两端（热面、冷面）达到热平衡的时间很短，这样对温差发电器件冷面的散热就成了其发电的关键要素，图3是研究中使用的散热装置。散热片底座尺寸为85mm×44mm×12mm，可放置两块温差发电器件。

本研究使用两块温差发电器件串联，实验测得其开路电压与温差之间的关系如图4所示。

图4开路电压与温差关系图

在供暖系统中，温差发电器件热面紧密贴在室内暖气片上，发电器件冷面紧贴散热装置，将导热硅脂涂抹在散热装置的底座与温差发电模块冷面之间，这样能更好地将热量由热管导出，最后由散热片将热量散到空气中，将上述装置安装好并用螺丝固定。经测试，冬天暖气片温度与室内温度相差10℃~45℃。由实验数据可知，输出开路电压为0.7V?~3V。

3?稳压电路原理

温差发电模块的输出随着温差的变化而变化，热源温度很难控制在一个固定温度，室内温度也随着天气、时间的变化而变化，这样温差发电模块输出的电压不稳定，需要稳压电路稳压后才能给热量表供电，给充电电池充电。本研究使用精工电子的充电泵S882-Z与DC-DC转换器相结合，实现升压稳压，稳压电路原理图如图5所示。

图5稳压电路原理图

图6S-882Z内部结构图

图7电荷泵工作流程图

开关电容式电压变换器是充电泵的另一种叫法，是利用“快速”或“泵送”电容(而非电感或变压器)来存储能量的变换器。其电压提升是通过开关阵列、振荡器、逻辑电路及比较控制器来实现，能量是靠电容器来贮存。其工作原理可以简单地表述为：通过受控的方式释放存储的能量来获取所需要的输出电压。电容器的快速充放电，使输入电压成倍增加或降低，得到所需要的输出电压。这种方式的效率很高，可以达到80％左右，并且结构简单，只需外接陶瓷电容。因此，可利用充电泵将温差发电模块产生的小电压积聚升压，使电能升高到一定程度，达到给热量表供电，给充电电池充电