基于温差发电可充电小装置的设计

尚军鹏 王凤英 田野 高幼轩 武帅

摘要：为了解决现有小装置在离开交流电源和电池续航能力低问题，利用周边的热源，设计出一种基于温差发电可自充电式小装置。该装置的设计采用了模块化的设计方案，主要由半导体温差发电模块、升压稳压模块、充电模块等几个部分组成。该产品可实现多种环境下给电压为5v的小装置供电工作。该设计具有节能环保等优点，具有一定的推广价值。

关键词：温差发电;模块化;充电;小装置

中图分类号：TP219.9 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）21-0213-02

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1 背景

目前家庭中一种常用的小装置产品，有一些是220V交流电供电，有一些是电池供电。在当今快节奏的生活当中，造成许多不方便的问题，如：在停电、出差或者是野外露营时，没有交流电，使用交流点供电的产品就无法使用;而使用充电电池供电的产品，由于电池续航能力较短，满足性极差。

综上所述，如何解决现有小装置在离开交流电源和电池续航能力低问题，能够被人们在需要时持续、高效、随时随地的使用，利用周边的热源，设计出一种基于温差发电可自充电式小装置。本装置可适用于负载电压为5v的产品。

2 系统方案的设计

基于温差发电可自充电式小装置的工作原理框图如图1所示，本装置包括负载，温差发电模块，升压稳压模块，充电模块，电量显示装置，控制模块，锂电池。

3 硬件电路的设计

基于温差发电可自充电式小装置的硬件电路的设计采用模块化的设计方案。其主要包括半导体温差发电模块、升压稳压模块、充电模块等几个部分组成。

3.1 半导体温差发电模块

半导体温差发电模块主要是由两部分组成，原理即运用了塞贝克效应[1-5]，将半导体两侧的温差（热端和冷端）转换为闭合回路的电动势。半导体温差由P-N型热电材料、导热陶瓷、导线等构成。温差发电局部图如图2所示。

本装置发电片所采用韩邦公司制造的小型半导体温差发电片，型号为SP1848-27145SA，温差发电片的冷端采用循环水冷散热方式，风冷效果更好。热端即各种热源。温差发电一个较为关键的环节就是要保持冷热端温差恒定，经过多次实验发现，如果冷端的热量不及时散去，则热端的温度会很快穿过半导体温差发电模块影响冷端，从而破坏冷热端温差，降低输出电压。因此如何快速将冷端的温度散掉，以便保持冷端温度非常重要。为此我们使用一种M式循环水铝制冷热交换头（见图3），将其与温差发电片的冷端紧密贴合，中间涂有导热硅脂，采用循环水可迅速、有效地将冷端温度降低，且水流采用M形流动，可以均匀的将半导体温差发电片散热，不会出现局部散热情况。

3.2 升压稳压模块

由于产品的温差控制具有波动，所以导致温差发电片电压也有所波动，为避免电路损坏，并且达到所需的电压，所以加入升压稳压模块。

升压稳压模块硬件采用LM2596S模块（见图4）。LM2596S比一般LM2576输出更加稳定，带有电源指示灯，输出可调，同时具有很好的线性和负载调节特性。能方便地提供自己所需的电压。固定输出版本有3.3V、5V、12V。

3.3 充电模块

充电模块选用TP4506设计（见图5），TP4056是一款完整的单节锂离子电池（微能量公司生产的1260111充电电池）采用恒定电流恒定电压线性充电器，带电池正负极反接保护、输入电源正负极反接保护。

4 软件系统的实现

基于温差发电可白充电式小装置的控制电路工作流程图如图6所示。

在有热源的情况下，优先使用温差发电片经过升压稳压模块后给负载供电，进行工作，节约电能;若负载不工作，则判定锂电池电量是否充足，若低于设定的电量值，则使用温差发电片通过升压稳压模块和充电模块给锂电池充电。在没有热源的情况下，优先选用锂电池给负载供电，如若锂电池电量不充足时，使用电池盒中十电池给负载供电。本产品可实现多种环境下工作。

5 结束语

在有热源的情况下，利用温差发电片，实现温差发电可白充电式小装置。本产品提升了用户的使用感与使用率，增加了小装置的实用性，并利用温差发电，具有携带方便，使用安全，节能环保，绿色低碳，续航时间长等优点。

参考文献：

[1]房书琪，齐胜男，王海明，等.一种基于半导体温差发电的单车充电系统设计[J].中国科技信息，2020（3）： 95-96.

[2]李志广，苏畅，赵学谦.基于半导体温差发电的暖气小夜灯[J].电源技术，2020，44（1）： 83-84，94.

[3]宋其军，黄凯.小型温差发电技术研究[J].科技创新导报，2019，16（13）： 89，92.

[4]王博.汽车余热发电系统设计[J].黄河科技学院学报，2019，21（2）： 38-41.

[5]周大量，胡申华，吴馥郁，等.温差发电实验设计与性能分析[J].电工技术，2019（3）： 130-132.

【通联编辑：谢媛媛】

作者简介：尚军鹏（1997-），男，内蒙古乌兰察布人，学士，主要研究方向为嵌入式系统;王凤英（1977-），女，内蒙古丰镇人，副教授，硕士，主要研究方向为混沌密码学、图表处理和光通信等;田野（1999-），男，内蒙古呼和浩特人，学士，研究方向为建筑电气及其智能化;高幼轩（1997-），男，河南洛阳人，学士，主要研究方向为单片机开发;武帅（2001-），男，内蒙古呼和浩特人，学士，主要研究方向为EDA技术。