基于半导体温差发电的便携照明装置

2016•9（上）《科技传播》
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创新与应用技术
便携式照明装置是我们生活中不可缺少的工具，传统便携式照明灯需要电池作为电源，此类产品有以下两个问题，一是需要频繁充电或者更换电池，尤其在不方便充电的户外时，会给用户带来极大不方便；二是废电池污染环境。

目前半导体温差发电技术日趋成熟，其利用体温与环境的温差即可满足小功率LED 的供电需求，并且温差发电不受地点，天气等条件的影响，随时可以工作，能够满足应急情况下的照明需要，此装置也不需要电池作为储能，减少了电池的使用，符合国家提出的“生态文明建设”。

1 温差发电原理
1.1 塞贝克效应
在两种不同材料的导体组成的闭合回路中，若两种导体材料的温度不同，分别为(T 1,T 2)，在接触点存在温
差时，此闭合回路中会产生电动势，温差与产生的
电动势在一定范围内满足以下公式[1]
：
（1）
其中，为回路中产生的电动势，单位为V ；
为不同的两种热电材料导体间的相对塞贝克系数，单位：V/K。

这种现象最早是由德国物理学家塞贝克发现的，该效应的发现为研究温差发电技术奠定了理论基础[2]。

1.2 温差半导体片
如图1所示，温差半导体片由导热陶瓷基片、金属导电层、P（N）型热电材料等组成。

其一端处于高温状态，另一端处于低温状态下，因为热激发作用，P 型材料高温端空穴浓度会高于低温端，在浓度梯度的作用下，空穴将会扩散到低温的一端，因此P 型材料低温端
带正电，高温端带负电[3]
；N 型材料由于热激发作用，高温端的自由电子扩散到低温端，因此N 型材料低温端带负电，高温端带正电。

同时，高温与低温端会在导体中建立起一个静电场，阻止带电粒子的扩散运动，当达到静电平衡时，半导体两端就会形成有一定大小的电
动势[4-7]。

图1 温差半导体片结构示意图
2 设计方案
2.1 温差发电模块
温差发电模块整体设计为正六角柱筒，如图2，6片温差半导体片镶嵌在正六角柱筒的6个侧面上，冷端朝内，热端朝外，正六角柱筒的材质为硬质塑料，温差半导体片型号为TEP1-097T200，尺寸为20mm×40mm×3.4mm，最大耐温200℃。

由于温差半导体片热端和冷端相距较近，容易发生热传递，因此维持两端的温度差是发电的关键技术。

为获得最大发电功率，温差半导体片冷端通过导热硅脂胶黏贴在铝制散热块上，铝制散热块可以带走温差半导体片热端传递到冷端的热量，使冷端始终保持环境温度[8-10]。

热端作为正六角柱外侧面的一部分，当用手掌握持本装置时，直接与手掌接触，
充分吸收人体温度。

图2 温差发电模块整体结构图
基于半导体温差发电的便携照明装置
李咸璞
天津市大港一中，天津 300270
摘 要 本文研究了半导体温差发电模块输出功率与冷热面温差的关系，在实验的基础上设计了一种无需电池的
便携式照明装置，装置主要包括半导体温差发电模块、小功率LED 发光模块、稳压电路模块。

半导体温差发电模块利用体温与环境的温差发电，经过稳压电路的稳压整流，为小功率LED 发光模块提供稳定的电流。

关键词 温差发电；半导体；LED
中图分类号 TM6 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）170-0188-02
作者简介：李咸璞，天津市大港一中。

DOI:10.16607/ki.1674-6708.2016.17.114
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创新与应用技术
半导体温差发电模块在实际应用中相当于一个随着外界环境温度变化的有内阻的直流电压源，其串并联特性与电压源一样，即串联时电流不变，电压为各个串联模块输出电压之和，总内阻为各个串联模块内阻之和；并联时电压不变，电流为各个并联模块电流之和，总内阻按照并联电阻计算。

无论是串联还是并联，其总功率
都为各个模块输出功率之和[11]。

生产厂家提供的TEP1-097T200温差半导体片的参数如图3，根据图3所示参数，
本文采用串联的方式发电。

图3 温差发电开路UOC-ΔT 曲线图
2.2 稳压电路
根据赛贝克效应的发电原理可知，如果温差半导体片两端的温差变化时，其输出的电压也是不稳定的[12]，为了保证LED 的正常工作，需要一个稳压电路，本文采用可调集成稳压器LM317，其电路图如图
4。

图4 LM317可调集成稳压器电路图
图4所示稳压电路最大输出电流为2.2A，电压的输出范围为1.25～37V，1、2脚之间为1.25V 电压基准，改变R2阻值即可调整稳压电压值，为了使得稳压器的输出性能稳定，R1需要小于240Ω。

输出电压Uo 可由（2）
式计算得到[13]。

（2）
3 工作性能分析
本装置正常工作时，热端吸收手掌温度，稳定在32℃左右；考虑到本便携式照明装置冷端与环境温度相近，且本装置主要在野外夜间使用，我国野外夜间温度一般低于10℃，为保证装置的环境适用性，实验中冷端
取环境温度为10℃[14，15]。

在温差固定的情况下，多次测量1片TEP1-097T200温差发电片的输出特性，结果如表1。

表1 温差半导体开路电压、电流数据表
温差（℃）211920201919电压（V）0.470.450.450.440.440.43电流（mA）
109
106
105
103
103
103
本文采用3颗相同的LED 并联组成LED 照明模块，每颗功率为60MW，额定电压为3V，温差发电模块输出的电压经稳压模块后，稳定输出3V 电压给LED 照明模块供电。

本装置正常工作时，LED 照明模块两端电压、电流数据如表2。

表2 LED照明模块两端电压、电流数据表
电压（V） 3.01 3.00 3.00 3.02 3.00 3.01电流（mA）
61
59
59
60
60
60
根据表1和表2的实验数据可知，温差发电模块利用体温与环境温度的温差发电功率为0.3W 左右，LED 照明模块的额定功率为0.18W，所以温差发电模块可以很好满足装置正常工作的需要。

4 结论
根据上面的设计，温差发电模块利用手掌温度与野外夜间环境温度的温差发电，其输出电压经稳压电路稳压后，可以满足LED 正常工作需要。

本便携式照明装置使用方便，充分利用了绿色能源，可以很好地解决野外工作人员应急的照明需要。

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