基于摩擦热的低压温差发电系统研究

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1、基于摩擦热的低压温差发电系统研究杜伟伟张贵生（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001）【摘要】通过实验设计了一套基于摩擦热的低压温差发电系统研究，它是由摩擦热能收集器，半导体温差发电器和散热冷源耦合而成。本装置将温差发电片的贴合在摩擦产生热量的导体上，另外一端连接散热片，以提高电片两端的温差，从而提高发电的电压和电流。并将发出的电通过升压电路升压后为蓄电池充电，蓄电池经稳压模块后可为一些要求不高的用电场合供电，如照明用电等一些低功耗的用电场合。.jyqkm340mm大小的方块。为了方便功率的计算，可以对实验对象做以下假设：稳态时输出电流为恒定电流；

2、半导体温差发电片侧面绝热；冷热端的空气对流和辐射影响可以忽略；半导体温差发电片内部导热系数不变。2模块设计本系统大致分为升压模块、稳压模块和控制模块三个模块。升压模块是将温差传感器产生的电压信号进行放大传给稳压模块；控制模块则是为了控制升压模块中开关管的导通和关断，是输出达到稳压模块输入信号的范围；稳压模块是为了是电路输出的电压值恒定在+5V，实现稳定的输出。2.1升降压模块升降压模块是以Boost电路为基础搭建，由于温差发电片产生的电压变化比较大从零点几伏到几伏不等，所以采用其串并联实现，降低成本提高利用率。2.2稳压模块由于升压模块输出的电压会有波动所以在其

3、输出加入了7805的稳压电路，使其获得稳定的5V电压值。2.3控制器模块在Boost的电路中为了能够控制其输出电压稳定，其开年关原件的导通和关断时间，而且能够将压电传感器的产生的电压量采集并作为控制信号，并且STM32F103RBT6内部集成了12位的AD转换芯片，所以采用STM32F103RBT6作为控制电路的核，在控制电路中只要搭建出STM32F193RBT6的最小系统就可以完成这样的功能。3理论设计计算3.1温差发电器的输出功率和发电效率温差发电器的性能主要用输出功率和发电效率来描述。为了获得较大的输出功率和电压，实际应用的发电器采用的温差电组件一般由多个

4、温差电偶串联连接而成。设温差电组件由m个温差电偶串联连接而成，那么根据塞贝克效应，回路中产生的温差电动势为：U=mα△TG，此电动势一部分施加到发电器自身的内阻上，另一部分则施加在负载电阻上，因此施加在负载电阻上的电压即为温差发电器的输出电压U0为：U0=mα△TGRL/(mRG+RL)，回路中的电流I0为：I0=mα△TG/(mRG+RL)，因此，由式以上两个公式可得温差发电器的输出功率为：P0=U0I0=(mα△TG)2RL/(mRG+RL)2。由此可知，温差发电器的发电效率或热电转换效率的最大值为：Pmax=(mα△TG)2/4(mRG)2。由此可知，当负

5、载电阻与发电器的内阻相等(匹配)时，发电器获得最大的输出功率。3.2工作过程及性能分析将装置安装于火车轨道与其贴合，当有火车来临时即会生热，散热片两端产生温差，6片温差发电组件串联产生的电能作为升压模块的输入电压，经过升压模块升压并稳压后就能为蓄电池进行充电。一段时间后蓄电池充满电，断开充电开关，打开放电电路开关，蓄电池作为电源为一些照明设备提供电能。4创新点及应用前景本设计采用先进的半导体温差发电技术，将因摩擦而产生的内能转换为可以为我们所能利用的电能，这本身就是一大创新点。目前无论是国内市场还是国际市场都没有出现过与之类似的产品，仅出现过太阳能温差发电的相关

6、想法和尝试。本设计存在以下三个创新点。（１）摩擦内能转换明显——高性能的半导体温差发电片对温度转换的效率提高明显，在很大程度上利用了因摩擦而带来的内能，达到了节能环保的目的。（2）材料成本低，各部分组成方便——各部分都可做成相应的模块，实际应用时只需将其组装、调试即可安装于现场。（3）适用领域广泛——可以放在任何摩擦产生热量大的的地方，例如火车站、飞机场、煤矿、工厂、交通设施等。5结论基于摩擦热的低压温差发电系统研究，是针对国内及国际上对能源问题的关注，结合三个模块和三个创新点，可以很好地相互配合。经试验证明，本设计具有很好的研究意义和使用价值，适合推广运用。.

7、jyqk].中国电子科技集团公司第十八研究所,2008.［４］贾阳,任德鹏．温差发电器中热电材料物性的影响分析[J]．电源技术,2008,32(4):252-256．［５］任德鹏,贾阳．温差发电器工作特性的数值研究[J]．航天器工程,2008,17(41):56-61．［责任编辑：汤静］