半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的制作

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電需要有陽(yáng)光和開(kāi)闊的朝陽(yáng)空間，風(fēng)力發(fā)電需要持續(xù)的風(fēng)力和安裝場(chǎng)地。半導(dǎo)體溫差發(fā)電不受天氣、場(chǎng)地的制約，日益激發(fā)著人們新的綠色欲望。筆者以蜂窩煤熱水爐的進(jìn)出水為溫差源，制作了一臺(tái)半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置，原理框圖見(jiàn)上圖。

　　半導(dǎo)體溫差發(fā)電是一種將溫差能(熱能)轉(zhuǎn)化成電能的固體狀態(tài)能量轉(zhuǎn)化方式。發(fā)電裝置無(wú)化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)，無(wú)噪聲、無(wú)污染、無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)。它的核心部件是半導(dǎo)體溫差電偶模塊(因多用于制冷，亦稱(chēng)半導(dǎo)體致冷片，電子元器件市場(chǎng)大多有售)。將它的兩根引出線(xiàn)連接到萬(wàn)用表的電壓或電流擋，用體溫傳導(dǎo)到它的一個(gè)面，使其兩面形成溫差，指針就會(huì)偏轉(zhuǎn)，實(shí)實(shí)在在的溫差發(fā)電就展現(xiàn)在你的面前。但是，目前半導(dǎo)體溫差電偶模塊熱電轉(zhuǎn)化效率低，近年有研究表明最高不到5%，這是半導(dǎo)體溫差發(fā)電實(shí)用化的最大障礙。

　　制作半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的第一件事是選擇溫差源。供一個(gè)家庭利用的溫差源十分有限，可說(shuō)說(shuō)也挺多。

　　一是炊事溫差，燒天然氣、石油液化氣、煤炭、沼氣等等產(chǎn)生高溫;二是空調(diào)、暖氣溫差;三是地溫溫差，庭院井水、溪水與地表的溫差;四是太陽(yáng)能溫差，用太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)灶獲得熱量;五是冬季冰雪與室內(nèi)、地下的溫差，等等。但是，利用起來(lái)必須滿(mǎn)足方便獲得、經(jīng)濟(jì)、持續(xù)和有足夠的能量的要求。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)目前通常的半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊每提供攝氏1度的溫差可相應(yīng)產(chǎn)生約0.03V電壓，可見(jiàn)溫差小就沒(méi)有實(shí)際利用價(jià)值。本人之所以選擇蜂窩煤熱水爐的進(jìn)出水為溫差源，是因?yàn)闋t火晝夜不熄，爐灶熱水與進(jìn)水(自來(lái)水)的溫差大，夏季攝氏60多度，冬季可達(dá)攝氏90多度，且比較穩(wěn)定。同時(shí)利用自來(lái)水的壓力解決了能量無(wú)耗輸送的難題，只要家庭成員洗菜、洗碗、洗手、洗臉、洗澡等一用熱水，就能獲得理想的溫差。特別需要強(qiáng)調(diào)的是，半導(dǎo)體溫差電偶模塊是良好的導(dǎo)熱體，如果兩面沒(méi)有高低溫兩種能量的輸送，溫差就不能維持，保溫做得再好，模塊兩面的溫度接近也是枉然。這是許多失敗案例的根本原因。本發(fā)電裝置用的是“過(guò)路水”，能耗視同為零，同時(shí)對(duì)熱水的降溫也不十分明顯。中圖是該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

　　制作要點(diǎn)如下：

　　1.介質(zhì)導(dǎo)管和高低溫差面的制作

　　將兩根直徑30.5mm、長(zhǎng)1000mm的鋁管兩端車(chē)絲，以便在使用時(shí)經(jīng)活接頭接人蜂窩煤熱水爐的冷、熱水管路，按圖2剖面的形狀加工后，分別和寬 60mm、厚3mm、長(zhǎng)1000mm的鋁條焊在一起，焊接要充分、厚實(shí)。鋁條與半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊相貼的冷熱端傳導(dǎo)面要平整光滑。再試著將要安裝的半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊在冷熱傳導(dǎo)面間間隔排列(筆者一共用了10塊)，然后在鋁板邊緣按每個(gè)模塊每邊兩個(gè)緊固螺栓鉆好孔。用絕緣板做一個(gè)尺寸合適的槽子，用空調(diào)保溫套管作保溫材料，將其剪開(kāi)卡套在熱(水)介質(zhì)導(dǎo)管上，再將絕緣板槽固定上即可;冷(水)介質(zhì)導(dǎo)管則無(wú)需保溫。

　　2.半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的測(cè)試選用與裝配

　　正規(guī)廠商提供的半導(dǎo)體溫差模塊一般都有性能指標(biāo)，你可別讓上面十幾伏幾十安的數(shù)值弄得眉開(kāi)眼笑，那是它們致冷制熱的耗電指標(biāo)，發(fā)電它們可低能呢。筆者曾經(jīng)測(cè)試過(guò)同一批產(chǎn)品的發(fā)電性能，空載電壓有的3.4V有的2.7V，空載電流有的1.6A有的0.7A。只有采用對(duì)溫差特別敏感的，才有可能DIY出較理想的發(fā)電裝置來(lái)。具體的測(cè)試方法是：下面用一塊大功率音響拆下的鋁散熱塊什冷源(散熱)，上面把電熨斗撥到低溫?fù)踝鳠嵩矗萌f(wàn)用表進(jìn)行測(cè)試。注意測(cè)試一塊要停頓一下，讓鋁散熱塊冷下來(lái)再測(cè)下一塊，否則不準(zhǔn)。接下來(lái)就是對(duì)模塊厚度一致性的把握，把稍薄和稍厚的拿下不用，不然整個(gè)組件都沒(méi)法裝緊。這些工作完后就可以進(jìn)行溫差發(fā)電模塊組件的裝配了，均勻地在模塊雙面薄薄涂上導(dǎo)熱硅脂，逐片擰上四個(gè)緊固螺栓，模塊被卡緊不能移動(dòng)就算裝好。

　　3.發(fā)電模塊組件的連接。

　　將溫差發(fā)電裝置接入冷、熱水管路，機(jī)械裝配完成。接著就是對(duì)發(fā)電模塊單體發(fā)電工作狀態(tài)的檢測(cè)，看看有沒(méi)有電壓電流明顯偏低的。如果有多半是沒(méi)有被緊固螺栓卡緊，需要采取措施解決，否則在并聯(lián)中將成為負(fù)載，在串聯(lián)中成為電流“瓶頸”。半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊正反向電阻很低。且差別不太大，攝氏10度溫差時(shí)僅幾歐至十幾歐，這時(shí)它難與負(fù)載匹配，發(fā)電效率極低，但隨著溫差的加大迅速上升至干歐級(jí)。由于安裝面向的關(guān)系，紅黑引線(xiàn)并不代表實(shí)際的正負(fù)，檢測(cè)單體發(fā)電工作狀態(tài)的同時(shí)也弄清了正負(fù)極。可以根據(jù)負(fù)載的情況進(jìn)行并聯(lián)、串聯(lián)的連接。半導(dǎo)體發(fā)電模塊組件的總功率并不等于單體功率的簡(jiǎn)單相加，會(huì)遠(yuǎn)小于它，尤其是并聯(lián)狀態(tài)。筆者將10塊單體發(fā)電模塊全部串聯(lián)。小流量使用熱水，開(kāi)路電壓為13.93V，開(kāi)路電流345mA(時(shí)為夏季，冬季自來(lái)水溫度將下降攝氏20～25 度，溫差增加攝氏15～20度，功率要比夏季大得多)：熱水停用，開(kāi)路電壓為6.23V，開(kāi)路電流7mA。

　　4.控制電路的制作。

　　該發(fā)電裝置在夏季便可以直接帶動(dòng)9V的直流小風(fēng)扇或50粒的LED燈，但只能與熱水同步。如要擴(kuò)大供電范圍靈活用電，需要配置控制電路和蓄電池。筆者使用的控制電路是依據(jù)《電子報(bào)》上一款充電控制器原理圖制作的，因尊重設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)在此就不依樣畫(huà)葫蘆。為了滿(mǎn)足對(duì)此有興趣的讀者，筆者另制作了一個(gè)簡(jiǎn)易實(shí)用的控制電路，見(jiàn)下圖。

　　由三端可編程集成電路TLA31和三極管C2500組成穩(wěn)壓充電控制電路。該電路適應(yīng)輸入電壓的大范圍變動(dòng)，輸出電壓可調(diào)且穩(wěn)定精度較高。其中R2、R3為T(mén)L431參考電壓Vref的調(diào)整電阻，改變它們的阻值便可調(diào)整輸出電壓的高低，筆者在調(diào)試時(shí)取R2=16.81kΩ、 R3=12.05kΩ，輸出電壓穩(wěn)定在7V，并承受輸入電壓從9V到20V(甚至更高，未測(cè))的大幅變化。三極管要求耐壓30V、電流大于0.5A、 hFE120以上的。D1是隔離二極管，接人電路有0.5V左右的壓降，設(shè)定輸出電壓值時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮進(jìn)去。該電路給6V鉛酸蓄電池充電效率較高，接近充滿(mǎn)即轉(zhuǎn)入涓流充電，直至電流為零，不會(huì)發(fā)生過(guò)充現(xiàn)象。若將輸出電壓調(diào)在4.2V，可快速地給3.6V的手機(jī)電池充電。蓄電池的過(guò)放保護(hù)由逆變器承擔(dān)(欠壓報(bào)警)，此不贅述。