“温差能发电装置的原理及升压稳压模块设计”版本间的差异
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由塞贝克效应产生的电压可以表示成： | 由塞贝克效应产生的电压可以表示成： | ||
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''S''<sub>A</sub>和''S''<sub>B</sub>是金属A和B的塞贝克系数，''T''<sub>1</sub>和''T''<sub>2</sub>是两块金属结合处的温度。塞贝克系数取决于温度和材料的分子结构。如果塞贝克系数在实验的温度范围内接近常数，以上方程可以近似成： | ''S''<sub>A</sub>和''S''<sub>B</sub>是金属A和B的塞贝克系数，''T''<sub>1</sub>和''T''<sub>2</sub>是两块金属结合处的温度。塞贝克系数取决于温度和材料的分子结构。如果塞贝克系数在实验的温度范围内接近常数，以上方程可以近似成： | ||
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=== 其它相关知识 === | === 其它相关知识 === | ||
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关于平均自由程： 平均自由程是导体或半导体的一种微观属性（载流子的属性），其定义可以参考气体分子平均自由程。 简单来说，平均自由程越长的微观粒子的运动能力越强。 在细直导体棒中，载流子会无规则运动，且平均自由程更长的载流子运动能力更强，于是在宏观表现为载流子从一端向另一端移动，产生电流。 这也就是对于塞贝克效应的理解。 | 关于平均自由程： 平均自由程是导体或半导体的一种微观属性（载流子的属性），其定义可以参考气体分子平均自由程。 简单来说，平均自由程越长的微观粒子的运动能力越强。 在细直导体棒中，载流子会无规则运动，且平均自由程更长的载流子运动能力更强，于是在宏观表现为载流子从一端向另一端移动，产生电流。 这也就是对于塞贝克效应的理解。 | ||
| − | 关于温差生电动势： 该算式中SA与SB分别为两种材料的塞贝克系数，定义为E=SΔT。 代表感生电动势与温差之间的线性关系，有正负，由导体的物理属性决定（如材料、温度等）。 | + | 关于温差生电动势： 该算式中SA与SB分别为两种材料的塞贝克系数，定义为E=SΔT。 代表感生电动势与温差之间的线性关系，有正负，由导体的物理属性决定（如材料、温度等）。 在实际应用中，塞贝克系数分别为正和负的两种材料依次连接，形成热电偶。 当SA与SB随温度的变化可忽略时，E=∫T2T1(SA(T)−SB(T))dT可简化为E=(SA−SB)(T2−T1) |
| + | == 热电效应与传统发电形式的优势劣势分析 == | ||
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| + | * 能量转化效率低，输出功率和电压低 | ||
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| + | 火力发电的能量转化流程是 " 热能->机械能->电能 "，热电是 " 温差能->电能 "。 注意温差能与热能之间有联系，也有很大区别。 火力发电适宜大规模的发电站设计，热电可大可小，从穿戴式到发电机组均可用。 由于熵变等各种原因，热电的转化效率极低（<10%），而世界顶尖活力发电站，能量转化效率可达50%~60%，且一直在上升。 | ||
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| + | 一般的PCB制作流程包括： | ||
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| + | # 蚀刻/印刻制版：该步骤会得到印制好电路、覆铜、过孔等元素的多层铜板。 | ||
| + | # 孔金属化：将过孔的两边通过金属连接，实现导电。 | ||
| + | # 添加焊盘、阻焊层等：包括焊盘、助焊层、阻焊层等，方便焊接。 | ||
| + | # 丝印印刷：制作丝印（即电路板上白色的标识部分）。 | ||
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| + | 拿起你手边的一块电路板，从侧面看它可以分为数层。 最上和最下是两层极薄的阻焊油，作用是覆盖导电层、方便焊接； 中间三层从上往下依次是上层铜、绝缘层、下层铜。 （这是最基础的双层板，如果四层板八层板等会更加复杂） | ||
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| + | 从正面看，可以看到一些颜色深浅不同、略有凹凸的线状或块状的区域，它们是经过处理过的铜层。 在尚未蚀刻或切割的双层板上，上下两层铜层均是填满的， 经过蚀刻或切割后，其中一些部分与其它部分分开，不再导通，形成导线， 剩下的大块区域成为没有任何连接的 " 覆铜 "，通常作为PCB的GND（地线）。 当然，也有一些设计中，只有导线而覆铜全部被去除，也是可以工作的。 | ||
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== Reference == | == Reference == | ||
* Thermoelectric Effect - Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_effect | * Thermoelectric Effect - Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_effect | ||
| + | * LTC3108 Datasheet: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/3108fc.pdf | ||
2018年12月4日 (二) 15:00的版本
目录
温差能发电的基础原理——热电效应
温差能发电是一个直接将温度差所产生的能量转化为电能的过程。 具体来说，温差使导体（或半导体）的不同端产生物理性质差异（如平均自由程、载流子密度），进而产生恒定的电流和温差生电动势。
塞贝克效应（Seebeck Effect）
半导体在不同的温度下具有不同的载流子密度，当单一半导体两端具有温度差时，载子会扩散以消除密度的差异，因而造成电动势。
金属的赛贝克效应由电子的平均自由程来决定。 若平均自由程随温度上升，则热端的自由电子有较高的机会向冷端移动，此时的塞贝克系数为负值。 反过来说，若电子的平均自由程随温度上升而下降，则冷端的自由电子有较高的机会流向热端，塞贝克系数为正值。
由塞贝克效应产生的电压可以表示成：
SA和SB是金属A和B的塞贝克系数，T1和T2是两块金属结合处的温度。塞贝克系数取决于温度和材料的分子结构。如果塞贝克系数在实验的温度范围内接近常数，以上方程可以近似成：
帕尔帖效应（Peltier Effect）
帕尔帖效应即为塞贝克效应的反效应，即当在两种金属回路中加入电源产生电势后，不同的金属接触点会有一个温差。
其它相关知识
关于载流子： 载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子等。 在导体或半导体中，载流子定向移动产生电流。 金属导体的载流子是自由电子，半导体中载流子是电子和空穴，其中起主导作用的载流子称为 " 多数载流子 "，或 " 多子 "，如P型半导体中的多子是空穴。
关于平均自由程： 平均自由程是导体或半导体的一种微观属性（载流子的属性），其定义可以参考气体分子平均自由程。 简单来说，平均自由程越长的微观粒子的运动能力越强。 在细直导体棒中，载流子会无规则运动，且平均自由程更长的载流子运动能力更强，于是在宏观表现为载流子从一端向另一端移动，产生电流。 这也就是对于塞贝克效应的理解。
关于温差生电动势： 该算式中SA与SB分别为两种材料的塞贝克系数，定义为E=SΔT。 代表感生电动势与温差之间的线性关系，有正负，由导体的物理属性决定（如材料、温度等）。 在实际应用中，塞贝克系数分别为正和负的两种材料依次连接，形成热电偶。 当SA与SB随温度的变化可忽略时，E=∫T2T1(SA(T)−SB(T))dT可简化为E=(SA−SB)(T2−T1)
热电效应与传统发电形式的优势劣势分析
Pros：
- 可以直接将热能转化为电能
- 装置简单，体积小，便携
Cons：
- 需要有温差，只有热能并不能驱动
- 需要考虑导热问题，即热电偶热端向冷端导热，导致温差降低
- 能量转化效率低，输出功率和电压低
火力发电的能量转化流程是 " 热能->机械能->电能 "，热电是 " 温差能->电能 "。 注意温差能与热能之间有联系，也有很大区别。 火力发电适宜大规模的发电站设计，热电可大可小，从穿戴式到发电机组均可用。 由于熵变等各种原因，热电的转化效率极低（<10%），而世界顶尖活力发电站，能量转化效率可达50%~60%，且一直在上升。
升压稳压模块设计
设计思路及方向
- LTC3108
- MOSFET + Common Mode Choke
PCB印制流程
一般的PCB制作流程包括：
- 设计电路原理图、PCB图
- PCB印刷（可交赴厂家打样，或如果有设备可以自己制作）
- 焊接
其中，PCB印刷流程又大致包括：
- 蚀刻/印刻制版：该步骤会得到印制好电路、覆铜、过孔等元素的多层铜板。
- 孔金属化：将过孔的两边通过金属连接，实现导电。
- 添加焊盘、阻焊层等：包括焊盘、助焊层、阻焊层等，方便焊接。
- 丝印印刷：制作丝印（即电路板上白色的标识部分）。
拿起你手边的一块电路板，从侧面看它可以分为数层。 最上和最下是两层极薄的阻焊油，作用是覆盖导电层、方便焊接； 中间三层从上往下依次是上层铜、绝缘层、下层铜。 （这是最基础的双层板，如果四层板八层板等会更加复杂）
从正面看，可以看到一些颜色深浅不同、略有凹凸的线状或块状的区域，它们是经过处理过的铜层。 在尚未蚀刻或切割的双层板上，上下两层铜层均是填满的， 经过蚀刻或切割后，其中一些部分与其它部分分开，不再导通，形成导线， 剩下的大块区域成为没有任何连接的 " 覆铜 "，通常作为PCB的GND（地线）。 当然，也有一些设计中，只有导线而覆铜全部被去除，也是可以工作的。
如图分别是有覆铜和没有覆铜的PCB：
银白色的部分是焊盘，是与元件进行焊接的部位，用于连接PCB电路与电路元件； 大块绿色的油是阻焊油，用于防止焊锡扩散到周围的电路上导致短路； 白色的文字、方块等是丝印，只有标识作用，在电路中没有实际作用； 各种大小不一的孔状结构是过孔，用于连接上下两层铜板，也可与焊盘搭配，成为插件式元件的焊接部位。
Reference
- Thermoelectric Effect - Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_effect
- LTC3108 Datasheet: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/3108fc.pdf
