家庭半导体温差发电装置

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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,原理框图见图1。

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。图2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,见图3。

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。