摘 要： 溫差發電技術研究的基礎是搭建一套滿足需求的測試平臺，其中最為關鍵的是溫度控制系統。為此基于單片機建立了溫度控制系統，主要對硬件電路，特別是傳感器處理電路、加熱電路、PID控制系統進行了設計。實驗數據表明，該系統能夠滿足實驗要求，溫差發電片的開路電壓與其兩端的溫差基本呈線性關系。
關鍵詞： 溫差發電技術；測試平臺；溫度控制
隨著世界各國對能源的需求以及環境污染的日益加劇，溫差發電在新能源領域中獲得了廣泛的關注和研究。溫差發電技術是利用熱電材料的塞貝克效應(Seebeck effect)直接將熱能轉化為電能的技術，只要存在溫差就可以產生電能，具有無需增加發動機負載、無噪聲、體積小等特點。特別是對于發動機來說，內燃機的發展已經超過100年的歷史，雖然熱效率與最初的發動機相比有了顯著提高，但是大部分的能量還是以廢氣和冷卻的方式浪費掉，所占燃油能量的60%左右[1]。同時，傳統車輛上的電源由與發動機相連的發電機輸出，而采用發動機發電時的效率較低，綜合發電效率在10%~15%之間，也即產生1 kW 的電能大約需要10 kW 的化學能。如果能夠對這部分能量進行回收利用，則會明顯提高內燃機的燃油經濟性。有研究表明，如果能夠將廢氣能量進行回收利用，內燃機的燃油經濟性能夠輕而易舉地提高20%[2]。因此，溫差發電是一種較為理想的能量回收技術，日益受到關注[3-4]。
圖1為對溫差發電器的熱電性能進行測試時的實驗系統示意圖。該實驗系統中需要對熱端（利用加熱絲）進行加熱，以模擬實際的熱源，而熱源溫度對于溫差發電器熱電性能有著重要的影響[5-8],需要對其溫度進行精確控制，為此，對恒溫控制系統進行了設計。
1 溫控系統硬件原理及構成
該系統的控制對象是加熱水箱內水的溫度，即需要控制在實驗條件下溫差發電片的熱端溫度。首先，通過熱電偶傳感器將水的溫度轉化為電阻值，再通過MAX6675內部放大電路輸出電壓，并將其保存在數據采集裝置中；然后，重新設定水的溫度，經溫度標度轉化成二進制數，保存到單片機的存儲單元中；然后，調用顯示子程序顯示設定溫度和采樣溫度，再將采樣值與設定值輸入單片機內,與系統的給定值進行比較得到誤差量，采用PID控制算法得到控制量進行數字PID控制算法的運算，運算結果由單片機輸出；最后，通過固態繼電器的功率調節電路調節寄存器的斷開與閉合,以實現設定溫度的恒定。該控制采用繼電接觸器控制系統，使整個設計系統電路簡單，調試方便，實際應用可達到理想的精度。該系統原理結構如圖2所示。
該恒溫控制電路由AT89C51單片機時鐘和復位電路、溫度傳感器、加熱控制電路、整流濾波電路、穩壓電路、電源電路、顯示裝置電路等構成[9]， 其主電路圖如圖3所示。
2 溫控系統硬件設計及其實現
2.1傳感器信號處理
溫度測量轉換部分是整個系統的數據來源，直接影響系統的可靠性。測量裝置采用K型熱電偶與MAX6675模/數轉換器作為溫度測量電路核心器件。傳統的K型熱電偶需要進行冷端補償及修正因熱電偶本身的非線性所帶來的測量誤差，而MAX6675是一種帶有冷端補償、線性校正、熱電偶斷線檢測的串行K型熱電偶模/數轉換器,從而給K型熱電偶的使用帶來了極大的方便。
溫度數據采集及轉換部分的電路如圖4所示。MAX6675的T+、T-接熱電偶正、負極，用于接收熱電偶的模擬信號，經過內部的放大、補償、修正后轉換為數字信號，通過S0端發送給單片機，進而為后續溫度控制系統提供輸入信號。
2.2 加熱控制電路
加熱控制電路圖如圖5所示，用于在閉環控制系統中對被控對象實施控制。被控對象為加熱水箱，采用對加載熱水箱兩端的電壓通斷的方法進行控制，以實現對水加熱功率的調整，從而達到對水溫控制的目的。對電爐絲的通斷控制采用SRD-05VDC-SL-C固態繼電器。它的使用非常簡單，只要在控制端加上一個TTL電平，即可實現對繼電器的開關控制。當單片機的P2.7為高電平時，三極管驅動固態寄存器工作，接通加熱器工作；當單片機的P2.7為低電平時，固態繼電器關閉，加熱片不工作。
3 PID恒溫控制算法
3.1 PID 控制調節器原理
在控制系統中,控制器最常用的控制規律是PID控制[10-11]。PID控制系統原理框圖如圖6所示，系統由PID控制器和被控對象組成。
圖8所示為溫差發電片兩端溫差與開路電壓之間的關系曲線,由圖可知,開路電壓與溫差基本呈線性關系。
基于單片機建立了能夠用于測試溫差發電系統特性的溫度控制系統，通過設計與實驗可得到以下結論：
(1)所設計的恒溫控制系統能夠實現對溫度的控制，滿足實驗要求；
(2)對于溫差發電片，其開路電壓與溫差發電片兩端的溫差基本呈線性關系。
參考文獻
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