一种温差发电式激光指示器设计

刘洋 陈卓

摘要 激光指示器是一种使用广泛的激光手握笔型发射器，针对目前激光指示器供电电源容量有限、耐用度低等问题，设计了一种温差发电式激光指示器，利用热电材料的赛贝克效应和碳纳米管薄膜热电发电结构产生电流用于激光二极管的供电，设计散热结构以维持发电结构两端的温差，通过升压稳压电路产生稳定的电动势，从而提高装置工作的可靠性。

【关键词】温差发电 碳纳米管薄膜 激光指示器 升压稳压电路

激光指示器是一种可见激光手握笔型发射器，可以投映出一个光点或一条光线指向物体以增强演示效果，因其体积小、用途广、使用便捷等优点，成为一种在教学、办公和旅游场所经常使用的便携式电子设备。目前激光指示器的供电电源主要是普通一次性碱性电池和可充电锂电池，存在容量有限、寿命短、长期放置电能自然耗光等弊端，这些问题极大地影响了激光指示器的耐用度，此外废旧电池的丢弃排放会对环境造成严重污染。基于以上问题，为满足激光指示器日益增长的市场需求，需要为之提供一种长效稳定、节能环保且方便充电的电源。

热电材料是一种可实现热能和电能直接相互转换的功能材料，具有污染小、无噪音、性能可靠，使用寿命长的优点。当其两端存在一定温差时，内部会产生电动势，即产生“塞贝克效应”，基于该效应的而发展的温差发电技术在航天探索、工业余热回收和电子器件开发等领域被广泛应用，此技术也可以应用在激光指示器的電源设计上来解决上述问题。

基于以上背景，本项目结合手握式激光笔指示器的使用特点，通过碳纳米管薄膜热电发电结构，利用温差发电效应产生电流用于激光二极管的供电，并设计散热结构以维持发电结构两端的温差，通过升压稳压电路产生稳定的电动势，提高装置工作的可靠性。

1 装置整体设计

该温差发电式激光指示器由碳纳米管薄膜热电发电结构、升压稳压电路和散热结构组成。碳纳米管热电单元串联成圆柱体薄膜式热电发电结构，其热端位于手握位置，与外壳的间隙中填充导热硅脂以降低热阻，增大导热率，冷端通过散热结构和外壳与空气接触，冷热两端通过导线连接升压稳压电路和激光二极管。当环境与手心存在温差时，发电结构可以产生电流供给电路模块，从而使激光二极管正常工作，装置整体结构如图1所示。

2 碳纳米管薄膜热电发电结构

2.1 热电发电原理

热电材料是一种可实现热能和电能直接相互转换的功能材料，这种热电转换效应来源于材料内部载流子的分布和运动特性。当外部温度均匀分布时，材料内部载流子的分布也是均一的;当材料两端存在一定的温度差时，热端和冷端的载流子的能量也存在差异，在材料内部形成载流子从热端到冷端的扩散，在载流子自建电场的作用下，这种扩散运动趋于稳定并产生稳定的电动势，以上现象称为“赛贝克效应”。通过将一块n型半导体和一块p型半导体连接形成热电材料，当材料两端存在温差时，由于赛贝克效应产生的载流子可在闭合回路上流动，从而维持材料冷热两端稳定的电压。

2.2 碳纳米管薄膜热电发电结构

碳纳米管是由石墨碳原子构成的直径为纳米量级的空心圆柱管状结构，具有低密度、高强度、高韧性、热稳定性和导电性好等特点。通过多个n型和p型碳纳米管热电发电单元串联构成碳纳米管薄膜，当其冷热两端存在温度差时内部因热流流动形成温度梯度，进而产生

碳纳米管薄膜热电发电结构主体部分由碳纳米管热电发电单元通过电串连、热并联的方式连接而成，碳纳米管薄膜附着在柔性基底上，薄膜两端蒸镀一定厚度的纯铜作为电极，并通过银胶连接导线向外输出电信号。用手掌握持热端，热气流流过碳纳米管薄膜表面，通过热传导和自然对流换热等热传输过程，薄膜两端产生温差电动势，经由导线输出电流。

3 升压稳压电路

碳纳米管薄膜热电发电结构两端的温差变化时，其输出的电压也是不稳定的，为了保证激光二极管的正常工作，设计了一种基于Boost拓扑原理的升压稳压电路，该电路具有输入电流连续，效率高，功耗小，以及功率因数高、谐波失真小和升压速度快等特点。

如图2所示，该电路由振荡电路和稳压电路构成，其中三极管Q1、Q3和电容C1构成振荡电路，三极管Q2、整流二极管D1和稳压二极管D2构成可输出稳定电压的稳压电路，电感L1作为储能电感，电容C2作为滤波电容，R2作为与激光二极管LED1串接的限流电阻。依据Boost拓扑原理，当Q1和Q2处于通态时，碳纳米管薄膜热电发电结构产生电压U1并作为电源V1向电感L1充电，充电电流基本恒定为I，同时电容C2上的电压向激光二极管LED1供电，由于C2容值较大，可保持激光二极管上输出电压U0，该阶段电感L1上储存的能量为U1It1;当Q1和Q2处于断态时，电源V1向电感L1同时向电容C2充电，并向激光二极管提供能量，该阶段电感L1上释放的能量为（UO-Ul）lt2，电路处于稳定工作状态时，由于电感L在一个电路周期中积蓄的能量与释放的能量相等，即

通过上述电路通断过程中电感元件的能量传递作用和电容元件的储能作用，可将碳纳米管薄膜热电发电结构产生的电信号进行升压和稳压作用，输出电压约等于齐纳二极管D2的稳压值。

4 散热结构

装置内部热量流动如图3所示，由于装置体积小，不宜采用水冷、风冷等散热装置，同时结合装置密封、防水的结构设计，该部分设计为自然对流散热方案。由热流路径图可知热电发电结构冷端稳态温度的保持取决于以下3个方面：热端与冷端之间的辐射能量、散热器的热传导能力和装置外壳的对流、辐射能力，热端与冷端间的辐射能量与材料的固有属性有关，现可通过选用合适的散热器和外壳材料，并优化结构设计来散热。

提高散热器的导热能力需要选用厚度较薄、热导率较高的材料，铝合金材料可以满足散热性能和经济性能的要求。针对散热器的结构设计，采用轻质结构、高效吸热的蜂巢模型来构建，原因是在蜂巢散热器模型中存在着“烟囱效应”，该效应强化了自然对流，进而提高散热效率。

发电结构冷端的热量经散热器传导后全部由激光指示器外壳吸收，通过对流和辐射将热量散发到外部环境中，增大表面辐射率是自然散热条件下最为有效的降低温度的方法，冷端部分外壳也采用上述铝合金，加入表面涂镀如喷漆、铬酸盐钝化处理等工艺，在提高散热效率的同时也增加了产品耐腐蚀性和美观性。

参考文献

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