fluent能量收集技术研究和装置设计仿真(4)
2.1.2温差发电原理
1、赛贝克效应
如图2.1所示，A、B两种不同导体构成的回路，如果两个结点所处的温度不同(T1和T2不等)，回路中就会有电动势存在。当结点间的温度差在一定范围内，存在如下关系：
U=AB(T2 - T1)
式中 U-回路产生的电动势；
AB -所用两种导体材料的相对赛贝克系数。
图2.1赛贝克效应（温差发电原理图）
2、热电转换器件
热电转换器件是温差发电器的基本元件，能将热能直接转换为电能，其效率取决于热电材料的性能和器件的设计制造水平。
把一只P型半导体元件和一只N型半导体元件通过连接片连接起来，当接头处存在温差和热量的转移时，按照赛贝克效应就会有电动势产生，把若干对半导体元件在电路上串联起来，而在传热方面是并联的，这就构成了一个通用的热电转换器件，其结构如图2.2所示。在有温差存在的条件下它就能将热能直接转化为电能，且不需任何运动部件，也无气体或液体介质存在，安全可靠，对环境无任何污染。
热电转换器件原理图
示意了美国HI-Z技术公司为车辆余热转换研制的一种商用热电转换器件，该公司已研制了不同规格的产品，输出功率从2.5W至19W不等。
HZ-14热电转换器件 （左侧为冷端，右侧为热端）
3、温差发电器
单个热电转换器件的转换功率很小，需要经过串/并联组合制成温差发电器，实现标准化、系列化。目前温差发电器主要有平板式温差发电器和圆筒式两种。 平板式温差发电器的热电转换模块适合平铺在矩形通道上，运行时热流从通道内流过，经壁面向转换模块传递热量。圆筒式温差发电器表面铺设的热电转换器件有一定的弧度，热电转换器件固定在发电器外壁，固定方式主要有粘结法和机械固定法。后者便于更换与检修，但是结构比较复杂，接触热阻也比较大。
为一个典型的温差发电器的装置，器件一侧是排气管道，另一侧是热交换器，两侧的温度不同，提供了发电的温差。日本精工仪器公司研制出一种利用人的体温发电的手表用电池，是使用 材料制成的温差发电部件，1K的温差可产生20mv的电压。
典型温差发电器件结构图
温差发电的方式应用到本课题中，由于热能表的工作环境中存在着很多可利用的热能，在管道中使用半导体温差发电器件发电，经过后期的放大和充电电路将信号用于热能表充电（设计框图如图2.5所示）。后期的稳压和放大充电电路将会在文章的后面给出。
温差发电原理设计框图
2.1.3 温差发电方案结论
本方案的优点是原理简单，所使用的能源——热能的收集比较方便，温差发电方式是一种新型的发电方式, 具有清洁、 无噪音污染和有害物质排放、高效、寿命长、坚固、可靠性高、稳定等一系列优点, 符合绿色环保要求, 并可在水管中长时间工作的优点。但是该方案的推广也有一定的障碍：
1、首先目前半导体温差电偶模块热电转换效率比较低，这是半导体温差发电发展的最大障碍，所以现有的装置成本昂贵，温差材料选择和温差发电装置的价格相比之下比较贵
2、当系统稳定供电后，如果温度和流量测量频率较小，热能表可以稳定工作，但如果加大测量频率或者某一段时间系统执行中断次数较多，系统电压下降，无法正常供电。当启动LCD液晶显示屏时，消耗电流较大，系统也无法正常供电。