專利名稱：一種溫差電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體溫差電源，特別是涉及一種直接利用太陽能的半導(dǎo)體溫差電源。
背景技術(shù)：
塞貝克于1821年發(fā)現(xiàn)在兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成的回路中，若兩個(gè)接頭具有不同的溫度，則在接入電路中的電壓表上可測(cè)得電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)被稱為塞貝克效應(yīng)。半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊就是根據(jù)塞貝克效應(yīng)制成的。當(dāng)連接半導(dǎo)體的熱源端溫度升高時(shí)，電子將從處于低能級(jí)的P型半導(dǎo)體通過連接的導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)到高能級(jí)的N型半導(dǎo)體中，如果此時(shí)將半導(dǎo)體用導(dǎo)體連起來形成閉合回路，就會(huì)有電流產(chǎn)生。而熱量也將從溫度高的一端被帶到溫度低的另一端。由半導(dǎo)體組成的溫差熱電偶每度溫差可產(chǎn)生幾百微伏的電壓，在市場(chǎng)上人們將一定數(shù)量的半導(dǎo)體溫差熱電偶串聯(lián)起來，即形成溫差發(fā)電模塊。
目前溫差發(fā)電技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成熟和商業(yè)化，大部分應(yīng)用于溫度較高情形，但還很少有人嘗試過直接利用太陽能作溫差發(fā)電動(dòng)力。當(dāng)前我國電力資源還比較緊張，而我國絕大多數(shù)地區(qū)日照時(shí)間相對(duì)較長，太陽能資源豐富，基于太陽能的半導(dǎo)體溫差電源系統(tǒng)恰能充分利用太陽能這種清潔能源，節(jié)約了電力，具有節(jié)能，無噪聲污染，安全穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也為半導(dǎo)體溫差電源開辟一個(gè)嶄新的應(yīng)用空間。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型旨在提供一種直接利用太陽能的半導(dǎo)體溫差電源，在無長時(shí)間陰雨天氣(一周以上)條件下，可不間斷輸出12V直流電。該電源系統(tǒng)可推廣應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域，如道路交通指示系統(tǒng)，夜景工程，廣告裝潢等，特別適合遠(yuǎn)離電網(wǎng)，單獨(dú)架設(shè)電力線成本較高的小功率用電體系，對(duì)于野外旅游，孤島供電等也有較好的應(yīng)用前景。
本實(shí)用新型設(shè)有太陽能集熱裝置、半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置和電源電路，所述的太陽能集熱裝置設(shè)有可調(diào)傾角橫式放置的小焦距拋物柱組合式反射聚光陣面，在聚光陣面焦平面設(shè)置太陽能真空集熱管，真空集熱管內(nèi)部涂太陽能吸收材料，在真空集熱管內(nèi)壁設(shè)一張銅箔中間卷套一根導(dǎo)熱銅棒，在真空集熱管管口處設(shè)有聚四氟乙烯管塞；所述的半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置設(shè)有方形紫銅塊，紫銅塊套在導(dǎo)熱銅棒上，紫銅塊的上下面放置半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊，溫差發(fā)電模塊外設(shè)有保溫模套，在溫差發(fā)電模塊上設(shè)有散熱片；所述的電源電路設(shè)有接在半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊輸出端的鉛蓄電池恒流充電及功率分配電路和充電儲(chǔ)能鉛蓄電池，發(fā)電模塊輸出端和鉛蓄電池輸出端均接在由比較器和繼電器組成的狀態(tài)切換電路的輸入端，繼電器公共觸點(diǎn)接后續(xù)的DC/DC穩(wěn)壓電路。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)直流發(fā)電的太陽能集熱裝置采用新穎的小焦距拋物柱組合式反射聚光設(shè)計(jì)，可有效將太陽光會(huì)聚在其焦平面內(nèi)的太陽能真空集熱管，同時(shí)為管內(nèi)壁的太陽能吸收材料吸收，轉(zhuǎn)化為熱能。將一個(gè)銅箔中間卷套一個(gè)導(dǎo)熱銅棒緊貼集熱管內(nèi)壁，銅箔導(dǎo)熱通過高效導(dǎo)熱銅棒傳給外面的紫銅塊及及緊貼的溫差模塊，為其提供熱源，溫差發(fā)電模塊冷端采用散熱片風(fēng)冷式制冷，利用冷熱兩端的溫度差即可實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電。設(shè)計(jì)電源電路使溫差電源輸出高于5V時(shí)一路為蓄電池恒流充電儲(chǔ)能，另一路直接通過DC/DC穩(wěn)壓電路穩(wěn)定輸出例如12V的直流電壓，而且還能根據(jù)溫差電源供能情況控制鉛蓄電池的充電電流，以保證溫差電源以合理的功率直接輸出從而確保負(fù)載的穩(wěn)定工作；當(dāng)溫差電源輸出低于5V時(shí)，鉛蓄電池則持續(xù)通過穩(wěn)壓電路放電，輸出直流電壓，電源電力輸出切換是由狀態(tài)切換電路實(shí)現(xiàn)的，這樣的電路邏輯設(shè)計(jì)能確保該電源系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的供給電力。
本實(shí)用新型適用于太陽日照時(shí)間較強(qiáng)的地理緯度環(huán)境，直接利用太陽能而原理機(jī)理迥異于當(dāng)前研制較多的太陽能電池，為太陽能的開發(fā)利用開辟另一條道路，具有較好的科研示范意義。根據(jù)初步實(shí)驗(yàn)表明，若在1.428m2太陽接收面積下，只能用于功率低于10W的用電器，若增大太陽光接收面積，可增大負(fù)載功率。
本實(shí)用新型還具備具有如下的優(yōu)點(diǎn)1、小焦距拋物柱組合式反射聚光陣面的聚光面采用新型高亮度反光材料制成，表面光滑，避免了由于表面粗糙漫反射而削弱聚光效果的缺點(diǎn)。采用橫式放置的小口徑的拋物面組合式設(shè)計(jì)，相對(duì)于傳統(tǒng)的單拋物面豎式放置聚光更加穩(wěn)定，聚光軸僅沿其焦軸方向上下偏移，即使太陽高度角隨季節(jié)變動(dòng)，引起的水平偏差也非常小，而且在拋物柱焦軸處有一至兩根集熱管(直徑為59mm)，這種由于季節(jié)帶來的水平偏差可以盡量減小，這樣可避免采用實(shí)時(shí)的太陽跟蹤系統(tǒng)系統(tǒng)，節(jié)約了電力。
2、太陽能真空管經(jīng)改造后能高效利用太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，即使在冬季日照條件下仍能為溫差發(fā)電模塊提供熱端130℃的工作溫度。
3、電源電路邏輯設(shè)計(jì)合理，儲(chǔ)能與直接輸出并行不悖，充電電路具有防過充與回流等優(yōu)點(diǎn)，且能根據(jù)源頭的功能狀況靈活改變充電電流大小，確保直接輸出的功率，以保證負(fù)載的正常工作。蓄電池供電和溫差直接供電切換自然，當(dāng)溫差輸出高或低于基準(zhǔn)電壓10mv時(shí)即能準(zhǔn)確翻轉(zhuǎn)，由于二極管和高頻扼流圈的引入，即使各開關(guān)電路邏輯上直接連接，也能消除電路間的電磁串?dāng)_。
4、可常年置于戶外，由于有儲(chǔ)能裝置，溫差電源供能充足時(shí)一邊儲(chǔ)能，一邊直接放電，若是溫差電源功能不足，則由蓄電池供電，因此若無長時(shí)間陰雨(一周以上)，即可構(gòu)成一個(gè)不間斷的直流電源，對(duì)需實(shí)時(shí)工作的用電體系具有特殊意義。


圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例(采用小焦距拋物柱組合式反射聚光陣面)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為太陽能集熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為太陽能集熱真空管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為太陽能集熱真空管橫截面示意圖。
圖5為半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為電路邏輯原理方框圖。
圖7為電源電路圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)的介紹。
參見圖1～6，太陽能集熱部分由小焦距拋物柱組合式反射聚光陣面3和太陽能集熱真空管5組成。
如圖1所示，小焦距拋物柱組合式反射聚光陣面3橫式放置，由活動(dòng)撐架2支撐，活動(dòng)撐架的前腳距地10cm，后腳高46.7cm，陣面傾角為23°26’，活動(dòng)撐架2長20cm，調(diào)整銷釘1可改變前后腳高度，從而改變陣面傾角。反射聚光陣面3采用高亮度反光材料制成，固定在活動(dòng)撐架2上，整個(gè)反射聚光陣面3由3個(gè)拋物柱組合成波浪狀，每個(gè)拋物柱拋物通徑為0.47m，水平張口為0.33m，橫長為1.4m，整個(gè)聚光陣面受光面積為1.428m2，活動(dòng)撐架2可沿桿水平移動(dòng)和前后翻轉(zhuǎn)。太陽能集熱真空管5由固定圈4固定在活動(dòng)撐架2上，太陽能集熱真空管5的一端接半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置6。
參見圖2～4，將一張銅箔53中間卷套一個(gè)導(dǎo)熱銅棒52緊貼集熱管51內(nèi)壁，銅箔53與銅棒52之間用螺釘扣緊，銅箔53采用“Ω”型卷曲方式，導(dǎo)熱銅棒52中間填入介質(zhì)并抽真空。為了讓集熱管51與外界絕熱且防止雨天雨水注入管腔，可用耐熱材料聚四氟乙烯設(shè)計(jì)管塞54，管塞內(nèi)開一通氣孔，以防止管內(nèi)氣體受熱膨脹爆炸。
參見圖5，真空管導(dǎo)熱銅棒52橫穿方形紫銅塊中心，紫銅塊7上下兩面用導(dǎo)熱硅膠粘貼溫差發(fā)電模塊8，用聚四氟乙烯材料設(shè)計(jì)保溫模套，溫差發(fā)電模塊8和紫銅塊7可嵌在保溫模套內(nèi)，兩塊散熱片9的邊緣用四個(gè)螺母互鎖，以鎖牢中間的溫差模塊和紫銅塊。
將各溫差發(fā)電模塊串聯(lián)和并聯(lián)組合作為一個(gè)總的溫差發(fā)電組件80輸出供給后續(xù)的電源電路。參見圖6、7，溫差發(fā)電組件80輸出端分別接蓄電池充電與功率分配電路A和狀態(tài)切換電路B，蓄電池充電與功率分配電路A的輸出端接蓄電池E，蓄電池E接至狀態(tài)切換電路B，狀態(tài)切換電路B的輸出端接DC/DC12V穩(wěn)壓電路C。具體電路實(shí)現(xiàn)如下1、蓄電池充電與功率分配電路采用LM2577-ADJ型集成電路IC1設(shè)計(jì)升壓型開關(guān)電路，將溫差模塊電壓穩(wěn)定至15V，輸入動(dòng)態(tài)范圍可在4～12V，然后由2個(gè)三極管Q1、Q2組成復(fù)合管，運(yùn)放IC2(LM324型)一端接溫差模塊輸出，另一端接基準(zhǔn)電壓12V(該基準(zhǔn)電壓由穩(wěn)壓管D3提供)，選用電阻R1、R2即可輸出電壓12.6～13.3V，該電壓加在復(fù)合管基極(Q2的基極)，BE極電壓改變即能動(dòng)態(tài)改變流過充電電流，電流流經(jīng)繼電器J1常閉一路。當(dāng)溫差發(fā)電模塊輸出5V時(shí)，充電電流為0.02A；當(dāng)溫差發(fā)電模塊輸出10V時(shí)，充電電流為0.7A。隨著充電時(shí)間延長，電池電壓上升，當(dāng)電壓達(dá)到14V時(shí)，該電壓經(jīng)電阻R3、R4分壓上升至三極管Q3(9013型)導(dǎo)通，繼電器J1的常閉觸點(diǎn)斷開，蓄電池不再充電，蓄電池輸入端接二極管防止電池電流回流。
2、狀態(tài)切換電路采用電壓比較器IC3將溫差發(fā)電模塊輸出電壓(接V-)與基準(zhǔn)電壓5V(接V+)進(jìn)行比較，輸出高低電平接在三極管Q4基極，繼電器J2控制段跨接在三極管Q4的集電極。當(dāng)溫差發(fā)電模塊輸出大于5V時(shí)，電壓比較器IC3輸出低電平，二極管D7截止，控制端無電流，常閉點(diǎn)此時(shí)接溫差電源；當(dāng)溫差發(fā)電模塊輸出小于5V時(shí)，IC3輸出高電平，二極管D7飽和導(dǎo)通，控制端流經(jīng)電流，跳轉(zhuǎn)到另一路并由蓄電池供電。
3、DC/DC12V穩(wěn)壓電路溫差模塊輸出先經(jīng)過肖特基二極管D8和高頻扼流圈L3，防止與上述的充電電路間的電磁串?dāng)_，然后采用集成電路IC4(LM2577T-12型)，結(jié)合電感L2設(shè)計(jì)開關(guān)電路，輸入范圍在4V以上，該電路使得溫差電源能始終以12V直流電壓穩(wěn)定輸出。
以下給出圖7中的主要器件與元件的型號(hào)與參數(shù)。
集成電路IC1LM2577-ADJ，IC2LM324，IC3LM339，IC4LM2577-12；繼電器J1，J2JQC-3F；電感線圈L1，L2CTX25-4(100μH)，L3高頻扼流圈25μH；三極管Q19015，Q2S8550，Q3、Q49013；二極管D1，D2，D4，D5，D7，D8，D9IN5821；D312V穩(wěn)壓管，D65V穩(wěn)壓管；電容C1，C40.1μ，C2，C50.33μ，C3、C6680μ；電阻R12.2K，R2滑動(dòng)變阻器50K；R3，R7，R11，R12，R13，R14，R15，R162K；R41Ω，R5、R968K，R6470K，R8，R1010K。
本實(shí)用新型操作控制簡(jiǎn)單，調(diào)整活動(dòng)腳手架將太陽能真空管固定在反射陣面的焦平面內(nèi)，可在每個(gè)拋物柱反光面施加一至兩根太陽能集熱管，每根集熱管可加一至兩個(gè)溫差發(fā)電平臺(tái)，調(diào)節(jié)銷釘使得太陽垂直入射反射平面，溫差發(fā)電模塊串并聯(lián)組合輸出，經(jīng)后續(xù)的電源電路即可穩(wěn)定輸出12V的直流電壓。
權(quán)利要求1.一種溫差電源，其特征在于設(shè)有太陽能集熱裝置、半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置和電源電路，所述的太陽能集熱裝置設(shè)有可調(diào)傾角橫式放置的小焦距拋物柱組合式反射聚光陣面，在聚光陣面焦平面設(shè)置太陽能真空集熱管，真空集熱管內(nèi)部涂太陽能吸收材料，在真空集熱管內(nèi)壁設(shè)一張銅箔中間卷套一根導(dǎo)熱銅棒，在真空集熱管管口處設(shè)有聚四氟乙烯管塞；所述的半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置設(shè)有方形紫銅塊，紫銅塊套在導(dǎo)熱銅棒上，紫銅塊的上下面放置半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊，溫差發(fā)電模塊外設(shè)有保溫模套，在溫差發(fā)電模塊上設(shè)散熱片；所述的電源電路設(shè)有接在半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊輸出端的鉛蓄電池恒流充電及功率分配電路和充電儲(chǔ)能鉛蓄電池，發(fā)電模塊輸出端和鉛蓄電池輸出端均接在由比較器和繼電器組成的狀態(tài)切換電路的輸入端，繼電器公共觸點(diǎn)接后續(xù)的DC/DC穩(wěn)壓電路。
專利摘要一種溫差電源，涉及一種直接利用太陽能的半導(dǎo)體溫差電源。提供一種直接利用太陽能的半導(dǎo)體溫差電源，設(shè)有太陽能集熱裝置、半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置和電源電路，太陽能集熱裝置設(shè)有小焦距拋物柱組合式反射聚光陣面，在聚光陣面焦平面設(shè)置太陽能真空集熱管，在集熱管內(nèi)壁設(shè)銅箔，銅箔中間卷套銅棒；半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置設(shè)紫銅塊并套在銅棒上，紫銅塊的上下面放置溫差發(fā)電模塊，溫差發(fā)電模塊外設(shè)有保溫模套，在溫差發(fā)電模塊上設(shè)有散熱片；電源電路設(shè)有鉛蓄電池恒流充電及功率分配電路和蓄電池，發(fā)電模塊輸出端和鉛蓄電池輸出端接狀態(tài)切換電路輸入端?？赏茝V應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域，如道路交通指示系統(tǒng)，夜景工程，廣告裝潢等。
文檔編號(hào)H02J7/34GK2777846SQ20052000470
公開日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2005年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月5日
發(fā)明者梁廣, 陳忠, 徐曉峰, 馮立波, 鄭振耀, 呂迎陽, 陳超 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)