热电手电筒研制-长沙理工大学

湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目申报表项目名称: 热电手电筒研制学校名称长沙理工大学学生姓名学号专业性别入学年份黄睁201124050106 电气工程及其自动化专业女2011年陈洁201124050206 电气工程及其自动化专业女2011年谢新宇201153100213 电气工程及其自动化专业男2011年雷鸿粤201124050124电气工程及其自动化专业男2011年指导教师唐欣职称教授项目所属一级学科470学生曾经参与科研的情况谢新宇同学曾发表学术论文一篇，获第八届物电杯三等奖、优胜奖，多次参加挑战杯、科技立项、电子设计大赛等活动，获省级表彰一次，具有扎实的数学基础知识和较强的逻辑思维能力。

对动手设计开发新型科技创作、研究科技前沿的相关文献有着浓厚的兴趣。

黄睁、陈洁、雷鸿粤同学具有扎实的专业基础，动手能力较强，曾一同参加中仁杯电子设计大赛，主动创新积极动手，获得优胜奖。

指导教师承担科研课题情况近年来，指导老师唐欣主持国家自然科学基金一项、湖南省省自然科学基金两项和电力青年科技创新项目各一项，曾参与多项国家及省部级科研项目，获省部级一等奖两项、三等奖一项，以第一作者发表学术论文31篇。

项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题1.立项目的手电筒可在停电或光线不足时为我们提供便利。

特别在农村，通常没有路灯，山里的村民夜晚外出都依靠手电筒，手电筒使用很广泛。

人们使用的传统手电筒依赖电池，使用寿命不长。

以全国每年生产100亿只电池计算，全年消耗的各类金属量都以十万吨计（其中15.6万吨锌，22.6万吨二氧化锰，2080吨铜，2.7万吨氯化锌，7.9万吨氯化铵，4.3万吨碳棒）。

传统手电筒不仅是一种资源浪费，而且其废旧电池对环境的污染也是众所周知。

特别是农村缺乏废旧电池处理设施，废旧电池的有害物质流入土壤和水源，污染自然环境，给农作物和人们的身体健康带来很大的危害。

因此，环保手电的研制迫不及待。

为解决这一问题，人们研制了以握压式手电筒和太阳能手电筒为代表的环保手电，但它们存在一定的缺陷。

握压式手电筒（导体切割磁感线圈将动能转化为电能）缺乏电能储存装置，当握压做功停止，电能的供应也就随即停止，其机械部分长期使用容易损坏且会给使用者带来关节肌肉上的危害。

太阳能手电筒仍需借助锂电池等来储存电能，只是在充电方式上多了一种选择，达不到严格意义上的环保要求。

本项目研制的热电手电筒利用手掌热量为LED发光提供电能，具有真正意义上的零电池污染、供电持续性良、握持感舒适等优良特性，可减少手电筒对能源的需求，减轻废旧电池对环境污染，为人们的日常生活带来便利，符合节能减排、可持续发展的要求。

2.研究内容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。

温差发电系统主要由温差发电片及辅助设备、转换器和负载组成，系统结构图如图1所示。

温差发电装置的输出功率和发电效率与高温端温度(Th)，低温端温度 (Tc)，温差发电回路电流 (I)，负载电阻(R)，发电器内阻(r)等因素密切相关，为提高温差发电装置的效能和适应环境参数、负载的大范围变化，本项目拟从温差发电片最大功率跟踪和转换器输出电压连续可调两个方面展开研究。

温差发电片手掌波动的低电压转换器1.5VLED图1 热电手电筒的结构图（1）温差发电器优化设计模型在不同温差（0℃至37℃）环境下，对单一发电模块及其串并联组合的性能进行测试，分析电源模块的电动势性能、伏安特性以及其输出功率随负载的变化规律，拟合成各自温度的函数。

在此基础上，建立起温差发电器优化设计模型，进而设计温差发电组件的串并联方式、LED灯的数量和DC-DC升压电路的升压比。

（2）转换器主电路与控制电路由于单个温差发电片每1℃的温差仅产生约0.03V的电压，为满足LED供电电压（1.5V）要求，同时为平抑热源波动引起的发电片输出电压波动，需在发电片和负载之间加入一个转化器。

传统的转化器多以稳压电路为主，其输出电压是一个定值，难以适用不同类型负载的要求，且其转换效率比较低，因此，本项目拟采用DC-DC升压电路为主电路，并对其输出电压进行反馈控制，实现输出电压连续可调，适用多种类型的负载。

DC-DC升压电路的主电路如图2所示，其原理是,电感将电能和磁场能相互转换的能量转换器件，当IGBT 开关管闭合后，电感将电能转换为磁场能储存起来，当IGBT 断开后电感将储存的磁场能转换为电场能，且这个能量在和输入电源电压叠加后通过二极管和电容的滤波后得到平滑的直流电压提供给负载，由于这个电压是输入电源电压和电感的磁砀能转换为电能的叠加后形成的，所以输出电压高于输入电压，既升压过程的完成，因此，可以降低转换过程中的能耗。

图2 转换器的主电路DC-DC升压电路的控制电路如图2所示。

控制电路根据最大功率跟踪算法获得期望的电流或电压控制参考信号，并综合负载需要的电压水平，对转换器输出电压进行反馈控制，产生控制IGBT的PWM信号。

单片机电压、电流检测接口电路电压检测发电片输出电压和电流PWM 控制信号转换器输出电压AD0-AD2PWM 端口AD3图3 转换器的控制电路3.要解决的主要问题一般手掌热量可产生大约57毫瓦电能，维持LED 灯点亮需要的电能大约0.5毫瓦，因此，可用半导体温差发电片为手电筒提供电能。

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。

半导体温差发电已广泛应用于太阳能热发电、工业余热发电、汽车尾气利用和其它分散热能开发[1-2]。

然而，温差发电片的输出电压比较低，其输出功率和发电效率与高温端温度(T h )，低温端温度 (T c )，温差发电回路电流 (I)，负载电阻(R)，发电器内阻(r)等因素密切相关，因而，发电装置参数配置及其与负载的匹配问题是影响温差发电效率的主要问题之一。

国内外研究现状和发展动态温差发电系统主要由温差发电片、转换器和负载组成。

当前温差发电技术的研究主要集中在三个方面，提高温差发电器件的效率、降低成本和扩大应用范围。

研究表明，温差发电系统的温差越大、热源温度越高、材料优值越高，发电的效率就越高[4]。

因此，提高温差发电器性能的主要方向是开发高优值的热电材料和高效的转换器结构。

在高效的转换器与辅助设备的研究方面，主要集中在匹配模型和散热器设计。

（1）匹配模型研究任德鹏等分析了温差发电器的热环境、回路中负载电阻等参数及温差电单体对的连接方式对发电器工作性能的影响，得出提高温差发电器热端加热热流或增加冷端的换热系数均能提高发电器的输出功率及热电转换效率的结论。

苏景芳研究了系统与环境，系统与系统之间的热流关系，对系统的性能特性作出优化，建立温差发电器优化设计模型，同时以VB6.0(Microsoft Visual Basic6.0)语言作为开发工具，ActiveX 数据对象访问数据库，编写了温差发电器设计软件。

钱卫强通过对低品位热源半导体小温差发电器性能的研究，总结了电动势、内阻及输出功率等参数随外电路、温度、发电组件几何尺寸等因素的变化规律，另外研究了串、并联情况下温差电组件的性能。

李伟江从非平衡热力学角度出发，建立单层多电偶发电器在低温差下稳定T作的模型[5-6]。

研究温差发电器在内部结构和外部换热条件变化情况下的运行规律，与实验相结合，得出最佳匹配系数下，输出功率和发电效率均随最大温差近似呈线性变化，同时指出解决发电效率低的问题根本上依靠的是材料性能的改善。

屈健等应用有限时间热力学理论对半导体温差发电器的工作性能进行了分析，得到温差发电存在最佳参数工作区的结论[7-8]。

潘玉灼等采用非平衡态热力学优化控制理论分析温差电模型，数值模拟结果表明：最匹配参数工作条件下输出功率和发电效率可分别提高39％和20％。

（2）散热器设计发电器热设计也是影响发电效率的重要因素。

为了保持较高的温差，往往在发电器高温端增加供热装置，以使产生热量及较高的温差，往往在发电器低温端增加散热装置，以使热量及时散失。

Chein研究指出当器件热阻大于散热器最大热阻时，散热器将不能够散走器件产生的热量，因此与温差发电器匹配的冷端散热方式也是影响发电器性能的重要因素。

目前主要的散热方式有：风冷、液冷和相变散热。

风冷又分为自然风冷和强制风冷。

自然风冷换热器是一定形状的翅片散热器。

热阻大小与翅片密度、散热器面积直接相关。

目前温差发电器中应用较多的是强制风冷，散热器(如热沉)与风扇结合，低温端热量传导到更大面积的翅片上，借助强制散热将热量散失到空气中[9-10]。

热阻取决于风速，风速越大，热阻越小。

强制风冷可有效地提高散热器的对流换热系数，减小散热面积，而且结构简单，易于实现，因而应用广泛。

因液体的单位热容较气体大，因而液冷比风冷有更好的冷却效果，研究表明液冷换热系数比自然风冷散热大 100～1000倍，热阻大小主要与液体的流速有关，流速越大，热阻越低。

目前应用的液体散热方式主要有液体喷射冷却、微通道液体冷却和宏观水冷管路冷却。

相变散热是利用相变材料相态变化时吸收热量来散热。

这种散热方式适用于间歇式工作场合，目前研究最多的是带相变热虹吸管散热。

Esarte的研究结果表明带相变热虹吸管可明显提高热流在传热面的均匀性，减小热阻，散热较好。

综上所述，将温差发电技术应用到手电筒上，存在高放大比的升压电路及温差片与负载的匹配问题有待进一步研究。

本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩（1）项目组成员通过查阅资料文献，学习了相关知识，扩大知识储备；（2）从单片到多片温差发电片，测试了电压与不同发电片数以及不同连接方式的关系，寻找到优化的串并联组合；（3）以热水为热源，测试输出电压与不同温度热水即不同温差之间的关系曲线，研究了温差发电片的发电特性；（4）研究了转换器的特性，通过改变输入的电压，测试转换器最低起升电压，研究了转换器的升压特性；（5）谢新宇同学发表了一篇中文核心论文。

项目的创新点和特色（1）转换器的高升压比功能，可以在较小的温差条件下启动发电系统，适应了以手掌作为热源的低温差环境；（2）建立起温差发电器优化设计模型，进而设计温差发电组件的串并联方式、LED灯的数量和DC-DC升压电路的升压比，降低了设备的成本。

项目的技术路线及预期成果1.技术路线（1）第一步，拟采用合适的恒压源测试负载LED灯的性能特点；（2）第二步，拟选用型号为TGM-127-1.0-2.5的温差发电片、ELC-W0422-1的升压转换器、 LED灯各一个，初步实现温差发电模型；（3）第三步，拟分别从单片到多片温差发电片、单个到多个LED灯，跟踪测试电源与负载的关系曲线，寻找到最优电源组合和负载组合；（4）第四步，拟对DC-DC升压电路进行设计改进，尽可能提高转换器升压效率，实现输出电压连续可调；（5）第五步，拟对负载LED灯改进，寻找满足发光需求又功耗最小的LED灯；（6）最后，综合以上各方面最优条件组成手电筒内部结构，并设计美观和握持舒适的外形，完成热电手电筒的研制。