专利名称：一种半导体温差热电发电方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及热电技术领域，尤其涉及一种半导体温差热电发电方法及装置。
背景技术：
半导体热电发电机是一种独特的能源转化器件，它采用半导体，可以把热能直接转化为电能，相比其它发电机有一系列的优点，如环保性，直流性电源，没有运动部件，寿命也较长，运行非常安静。所以它非常适合作为一种简单的发电方式把工业及民用中燃烧热能系统的废热转化为电能。
为了有效的实现热源发电，单个的热电模块是不能工作的，必须要把多个热电模块通过串并联接在一起，形成一个阵列系统，才能够达到一定量的功率。多个热电池连在一起，数量少的时候，要么串要么并；而数量多的时候，全串和全并都不现实，全串电压太高，可靠性差，串在一起时，坏一个，全完了。全并也不现实，电流太大，同时可靠性也差，只要其中一个短路，整个也用不了。一般来说，热电模块数量多的时候须要做成一个串并联混合的矩形阵列。因此在工业应用中为了组成一个实际的发电系统，许多热电模块通过串并混合的方式电连接。
理想情况下，可认为一个热电阵列里的每个模块相互之间都有相同的电特性。这样不会有衰减的模块在串联时限制阵列里的总电流，或在并联时限制阵列里的总电压。但在现实热电发电系统中，模块电特性的失配很难消除。有2个原因:第一个原因是热电模块的电压和电阻取决于它的温度，而大多数热电系统的热源温度分布是不均匀的。这就造成了各个模块电压和电阻在阵列中的失配。第二个原因就是热电模块在使用一段时间以后，由于不同的使用情况各个模块会以不同的速率衰减，使用一段时间以后热电阵列里的模块即使是相同的类型也会呈现不同的电阻。热电模块的这种失配将造成输出功率损失。
与本发明相关的现有技术是通过调制电源和负载之间的电力电子转换器的占空t匕，对热电阵列可能的最大功率点在负载侧进行动态跟踪。这种技术只能改变负载电路的等效电阻，而对热电阵列中各模块失配造成的功率下降不能起作用。分布式最大功点跟踪技术为每个热电模块都配置电力电子转换器，不论热电模块电压和电阻如何，都能使各模块工作在各自的最大功率点。但是这种方式需要很多电气模块，带来不现实的系统成本和复杂度。
因此，本领域的技术人员亟待解决热电阵列不均匀热源温度和/或不均匀衰减率引起的电失配，以及从而造成的功率下降问题。发明内容
本发明实施例提供一种半导体温差热电发电方法及装置，以解决热电阵列不均匀热源温度和/或不均匀衰减率引起的电失配，从而造成的功率下降问题。
一方面，本发明实施例提供了一种半导体温差热电发电方法，所述半导体温差热电发电方法包括:
获取热电阵列中所有或其中部分发电器件的温度信号；
根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令；
根据所述各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，控制所述热电阵列中的各个发电器件对应的可控开关的导通或断开状态。
优选的，在本发明一实施例中，所述方法还包括:获取所述热电阵列的所有或其中部分发电器件的串路电流或并联端电压；根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号，以及串路电流或并联端电压进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令。
优选的，在本发明一实施例中，所述获取热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号，包括:通过无线收发器获取热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号；所述获取所述热电阵列的所有或其中部分发电器件的串路电流或并联端电压，包括:通过无线收发器获取所述热电阵列的所有或其中部分发电器件的串路电流或并联端电压。
优选的，在本发明一实施例中，所述根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，包括:根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号，利用查表法或实时仿真法进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令；所述根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号，以及串路电流或并联端电压进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，包括:根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号，以及串路电流或并联端电压，利用查表法或实时仿真法进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令。
优选的，在本发明一实施例中，所述可控开关包括保持继电器；所述保持继电器为单线圈或双线圈:当所述保持继电器为单线圈时，所述继电器控制驱动模块用I个双极性输出端口，或者借助H桥用2个单极性输出端口实现；所述热电阵列中的所有发电器件对应一个控制单元，或者所述热电阵列中的每个发电器件对应一个控制单元；所述控制单元通过电池或者发电器件中的一部分热电偶进行供电；当所述热电阵列为先并后串阵列结构时，分别为各个发电器件配置一个可控开关:可控开关串接发电器件；当所述热电阵列为先串后并阵列结构时，分别为各个发电器件配置两个可控单刀单掷开关:一个可控开关串接发电器件，另一个可控开关并接发电器件；或者为各个发电器件配置一个可控单刀双掷开关:一个通路串接发电器件，另一个通路并接发电器件。
另一方面，本发明实施例提供了一种半导体温差热电发电装置，所述半导体温差热电发电装置包括:控制单元，所述半导体温差热电发电装置还包括:热电阵列中的一个或多个发电器件；其中，所述控制单元包括:
传感器接口模块，用于获取所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号;
处理器模块，用于在进行优化拓扑后，获取所述热电阵列功率最大化时所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令；
继电器控制驱动模块，用于根据所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，控制所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开状态。
优选的，在本发明一实施例中，所述热电阵列中包括多个所述半导体温差热电发电装置，其中，一个控制单元对应一个或多个发电器件；所述热电阵列中的所有发电器件对应一个主控主机时，主控主机用于根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件对应的控制单元发送来的温度信号进行优化拓扑，以产生所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，并发送回给对应的控制单元；或者，所述控制单元中的处理器模块，用于根据所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号进行优化拓扑，以产生所述热电阵列功率最大化时所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令；所述传感器接口模块，还获取所述控制单元对应的一个或多个发电器件的串路电流或并联端电压；所述控制单元中的处理器模块，进一步用于根据所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号，以及串路电流或并联端电压进行优化拓扑，以产生所述热电阵列功率最大化时所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令。
优选的，在本发明一实施例中，所述控制单元，用于通过无线收发器发送所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号；进一步用于通过无线收发器发送所述控制单元对应的一个或多个发电器件的串路电流或并联端电压。
优选的，在本发明一实施例中，所述主控主机，进一步用于根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件对应的控制单元发送来的温度信号，利用查表法或实时仿真法进行优化拓扑，以产生所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，并发送回给对应的控制单元；或者，所述控制单元中的处理器模块，进一步用于根据所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号，利用查表法或实时仿真法进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令；或者，所述控制单元中的处理器模块，进一步用于根据所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号，以及串路电流或并联端电压，利用查表法或实时仿真法进行优化拓扑，以产生所述热电阵列功率最大化时所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令。
优选的，在本发明一实施例中，所述可控开关包括保持继电器；所述保持继电器为单线圈或双线圈:当所述保持继电器为单线圈时，所述继电器控制驱动模块用I个双极性输出端口，或者借助H桥用2个单极性输出端口实现；所述控制单元通过电池或者发电器件中的一部分热电偶进行供电；当所述热电阵列为先并后串阵列结构时，分别为各个发电器件配置一个可控开关:可控开关串接发电器件；当所述热电阵列为先串后并阵列结构时，分别为各个发电器件配置两个可控单刀单掷开关:一个可控开关串接发电器件，另一个可控开关并接发电器件；或者为各个发电器件配置一个可控单刀双掷开关:一个通路串接发电器件，另一个通路并接发电器件。
上述技术方案具有如下有益效果:因为采用所述半导体温差热电发电方法包括:获取热电阵列中所有或其中部分发电器件的温度信号；根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令；根据所述各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，控制所述热电阵列中的各个发电器件对应的可控开关的导通或断开状态的技术手段，所以达到了如下的技术效果:通过调节开关的导通和断开，可以将工作于低温和衰减严重的发电器件模块从整个热电阵列中动态摘除，变成一个可优化的系统，从而可以尽量减小热电阵列中的失配问题。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种半导体温差热电发电方法流程图2为本发明实施例一种半导体温差热电发电装置结构示意图3为本发明应用实例适用于先并后串阵列结构的智能温差发电模块I结构示意图4为本发明应用实例采用智能温差发电模块I的先并后串阵列结构示意图5为本发明应用实例适用于先串后并阵列结构的智能温差发电模块2结构示意图6为本发明应用实例采用智能温差发电模块2的先串后并阵列结构示意图7为本发明应用实例免电池自供电源智能温差发电模块3逻辑原理示意图8为本发明应用实例免电池自供电源智能温差发电模块3的发电器件平面设计示意图9为本发明应用实例免电池自供电源智能温差发电模块3的发电器件三维设计示意图10为本发明应用实例集成封装控制板的智能温差发电模块4结构示意图11为本发明应用实例适用于先并后串阵列结构的智能温差发电模块串I结构示意图12为本发明应用实例适用于先串后并阵列结构的智能温差发电模块串2结构示意图13为本发明应用实例智能热电模块(串)自治优化流程示意图14为本发明应用实例智能热电模块(串)主机优化示意图15为本发明应用实例以4个智能模块先并后串阵列为例示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明实施例一种半导体温差热电发电方法流程图，所述半导体温差热电发电方法包括:
101、获取热电阵列中所有或其中部分发电器件的温度信号；
102、根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令；
103、根据所述各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，控制所述热电阵列中的各个发电器件对应的可控开关的导通或断开状态。
优选的，所述方法还包括:获取所述热电阵列的所有或其中部分发电器件的串路电流或并联端电压；根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号，以及串路电流或并联端电压进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令。
优选的，所述获取热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号，包括:通过无线收发器获取热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号；所述获取所述热电阵列的所有或其中部分发电器件的串路电流或并联端电压，包括:通过无线收发器获取所述热电阵列的所有或其中部分发电器件的串路电流或并联端电压。
优选的，所述根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，包括:根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号，利用查表法或实时仿真法进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令；所述根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号，以及串路电流或并联端电压进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，包括:根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号，以及串路电流或并联端电压，利用查表法或实时仿真法进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令。
优选的，所述可控开关包括保持继电器；所述保持继电器为单线圈或双线圈:当所述保持继电器为单线圈时，所述继电器控制驱动模块用I个双极性输出端口，或者借助H桥用2个单极性输出端口实现；所述热电阵列中的所有发电器件对应一个控制单元，或者所述热电阵列中的每个发电器件对应一个控制单元；所述控制单元通过电池或者发电器件中的一部分热电偶进行供电；当所述热电阵列为先并后串阵列结构时，分别为各个发电器件配置一个可控开关:可控开关串接发电器件；当所述热电阵列为先串后并阵列结构时，分别为各个发电器件配置两个可控单刀单掷开关:一个可控开关串接发电器件，另一个可控开关并接发电器件；或者为各个发电器件配置一个可控单刀双掷开关:一个通路串接发电器件，另一个通路并接发电器件。
对应于上述方法实施例，如图2所示，为本发明实施例一种半导体温差热电发电装置结构示意图，所述半导体温差热电发电装置包括:控制单元，所述半导体温差热电发电装置还包括:热电阵列中的一个或多个发电器件；其中，所述控制单元包括:
传感器接口模块，用于获取所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号;
处理器模块，用于在进行优化拓扑后，获取所述热电阵列功率最大化时所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令；
继电器控制驱动模块，用于根据所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，控制所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开状态。
优选的，在本发明一实施例中，所述热电阵列中包括多个所述半导体温差热电发电装置，其中，一个控制单元对应一个或多个发电器件；所述热电阵列中的所有发电器件对应一个主控主机时，主控主机用于根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件对应的控制单元发送来的温度信号进行优化拓扑，以产生所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，并发送回给对应的控制单元；或者，所述控制单元中的处理器模块，用于根据所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号进行优化拓扑，以产生所述热电阵列功率最大化时所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令；所述传感器接口模块，还获取所述控制单元对应的一个或多个发电器件的串路电流或并联端电压；所述控制单元中的处理器模块，进一步用于根据所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号，以及串路电流或并联端电压进行优化拓扑，以产生所述热电阵列功率最大化时所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令。
优选的，在本发明一实施例中，所述控制单元，用于通过无线收发器发送所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号；进一步用于通过无线收发器发送所述控制单元对应的一个或多个发电器件的串路电流或并联端电压。
优选的，在本发明一实施例中，所述主控主机，进一步用于根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件对应的控制单元发送来的温度信号，利用查表法或实时仿真法进行优化拓扑，以产生所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，并发送回给对应的控制单元；或者，所述控制单元中的处理器模块，进一步用于根据所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号，利用查表法或实时仿真法进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令；或者，所述控制单元中的处理器模块，进一步用于根据所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号，以及串路电流或并联端电压，利用查表法或实时仿真法进行优化拓扑，以产生所述热电阵列功率最大化时所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令。
优选的，在本发明一实施例中，所述可控开关包括保持继电器；所述保持继电器为单线圈或双线圈:当所述保持继电器为单线圈时，所述继电器控制驱动模块用I个双极性输出端口，或者借助H桥用2个单极性输出端口实现；所述控制单元通过电池或者发电器件中的一部分热电偶进行供电；当所述热电阵列为先并后串阵列结构时，分别为各个发电器件配置一个可控开关:可控开关串接发电器件；当所述热电阵列为先串后并阵列结构时，分别为各个发电器件配置两个可控单刀单掷开关:一个可控开关串接发电器件，另一个可控开关并接发电器件；或者为各个发电器件配置一个可控单刀双掷开关:一个通路串接发电器件，另一个通路并接发电器件。
本发明实施例上述技术方案具有如下有益效果:因为采用所述半导体温差热电发电方法包括:获取热电阵列中所有或其中部分发电器件的温度信号；根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令；根据所述各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，控制所述热电阵列中的各个发电器件对应的可控开关的导通或断开状态的技术手段，所以达到了如下的技术效果:通过调节开关的导通和断开，可以将工作于低温和衰减严重的发电器件模块从整个热电阵列中动态摘除，变成一个可优化的系统，从而可以尽量减小热电阵列中的失配问题。
以下以应用实例详细说明本发明所述方案:
不均匀的温度和热电模块衰减率不能在系统中消除。尽管热电模块在系统中的机械位置一般不能改变，但整个输出功率仍可以被改善:对于工作于低温和衰减严重的热电模块，可以把它们从阵列中动态摘除，阵列功率则可以提高。解决的方案是在热电阵列内部直接解决，通过给热电模块配置可控开关取代固定连线，根据电流电压温度的反馈，通过调节开关的导通和断开，工作于低温和衰减严重的模块可以从整个阵列中动态摘除，变成一个可优化的系统，从而可以尽量减小热电阵列中的失配问题。本发明另一个技术特征在于:利用热电独特的温度衰减特性来制定合适的优化策略，系统的架构以及选择合适的传感器、开关，以及系统实施的控制算法。特别是热电系统的工作环境比较恶劣，在工业热源比较狭窄的空间运用上去，所以运用环境对成本的敏感性，对模块的体积要求，都比较高，因此最好用无线的技术进行控制，本发明的实施就是运用无线传感器实现控制。
如图3所示，为本发明应用实例适用于先并后串阵列结构的智能温差发电模块I结构示意图，以下也可简称智能模块，需要说明的是，以下本发明应用实例以热电阵列中全部为智能模块进行举例说明，本发明应用实例还可以为热电阵列中并非全部为智能模块的情况，本发明应用实例并不以此为限。给传统的热电发电模块串接配置I个可控开关取代一部分固定导线，开关闭合则发电器件连接在阵列中，开关断开则发电器件被摘除在阵列外；配置I个控制板以实现上述控制单元的功能，其中的传感器接口模块读取发电器件的串路电流或温度传感器反馈，经过处理器模块的分析计算判断电流或温度，例如摘除时判断电流是否小于0，摘除时判断电流是否小于其他预设值，摘除时判断温度是否小于其他预设值，复活时判断温度是否大于其他预设值，等等。通过驱动输出在保持继电器控制线圈中产生不同方向的电流脉冲，调节开关的导通和断开，工作于低温和衰减严重的模块可以从整个阵列中动态摘除并在高温时动态复活，变成一个可自治优化的系统；图3中当继电器为单线圈控制时，控制板中的继电器控制驱动模块可以用I个双极性输出端口，也可以借助H桥用2个单极性输出端口实现；继电器也可以为双线圈控制；或者控制板的传感器接口模块读取温度传感信号，经过无线收发器反馈到I台监控主机，在其中和阵列中其他智能模块无线反馈的温度传感信号进行同步，合成，作为热电系统模型的输入参数计算产生优化拓扑及一套完整的开关导通断开指令，之后再经过无线收发器接收本地智能模块对应的开关指令，通过继电器控制驱动模块控制继电器执行相应的导通断开动作。
如图4所示，为本发明应用实例采用智能温差发电模块I的先并后串阵列结构示意图。发电模块阵列的功能是为负载提供电功率，其中直流直流转换器可以根据负载的要求调节输入输出的电流电压。最大功率跟踪控制器是一种在负载侧通过调制直流直流转换器的高频开关占空比，使发电模块阵列能够为负载输出最多电能的电气控制系统。本发明的智能模块是在电源侧通过调整阵列拓扑，使发电模块阵列能够进一步提高负载输出电能的电气控制系统。在每组并联的智能模块列顶部有I个配置了控制板的智能开关；当并联列中所有智能模块都摘除时，最后一个摘除的智能模块或主机通知顶部智能开关闭合，以避免断路；其他时刻智能开关断开。
如图5所示，为本发明应用实例适用于先串后并阵列结构的智能温差发电模块2结构示意图，以下也可简称智能模块。给传统的发电器件一热电发电模块配置2个可控开关，分别串接和并接热电发电模块，开关I和开关2任意时刻只有I个闭合，开关I闭合开关2断开则发电器件连接在阵列中，开关I断开开关2闭合则发电器件被旁路在阵列外；配置I个控制板，其中的传感器接口模块读取发电器件的并联端电压或温度传感器反馈，经过处理器模块的分析计算判断并联端电压或温度，例如摘除时判断电压是否小于0，摘除时判断电压是否小于其他预设值，摘除时判断温度是否小于其他预设值，复活时判断温度是否大于其他预设值，等等。通过驱动输出在继电器控制线圈中产生不同方向的电流脉冲，调节开关的导通和断开，工作于低温和衰减严重的模块可以从整个阵列中动态摘除并在高温时动态复活，变成一个可自治优化的系统；图5中当继电器为单线圈控制时，控制板的继电器控制驱动模块可以用I个双极性输出端口，也可以借助H桥用2个单极性输出端口实现；继电器也可以为双线圈控制；或者控制板传感器接口模块读取温度传感信号，经过无线收发器反馈到I台监控主机，在其中和阵列中其他智能模块无线反馈的温度传感信号进行同步，合成，作为热电系统模型的输入参数计算产生优化拓扑及一套完整的开关导通断开指令，之后再经过无线收发器接收本地智能模块对应的开关指令，通过控制输出驱动继电器执行相应的导通断开动作。
如图6所示，为本发明应用实例采用智能温差发电模块2的先串后并阵列结构示意图。发电模块阵列的功能是为负载提供电功率，其中直流直流转换器可以根据负载的要求调节输入输出的电流电压。最大功率跟踪控制器是一种在负载侧通过调制直流直流转换器的高频开关占空比，使发电模块阵列能够为负载输出最多电能的电气控制系统。本发明的智能模块是在电源侧通过调整阵列拓扑，使发电模块阵列能够进一步提高负载输出电能的电气控制系统。当串联串中所有智能模块都摘除时，最后一个摘除的智能模块的开关2不闭合，以避免短路；其他时刻智能模块摘除时其开关2均闭合。
如图7所示，为本发明应用实例免电池自供电源智能温差发电模块3逻辑原理示意图。图7示的免电池自供电源智能模块适用于先并后串阵列结构，但完全也可以适用于先串后并阵列结构。传统的热电发电模块由串接的若干对热电偶组成，只有一对正负极导线。免电池自供电源智能模块将发电器件的所有热电偶隔离分为2组，一组含有较多热电偶称为主发电器，另一组含有较少热电偶称为副发电器。整个智能模块的正负极导线采用主发电器的正负极导线，而副发电器的正负极导线与控制板的电源管理模块连接，为控制板供电。这样带来的好处是免去了电池维护更换的成本。如图8所示，为本发明应用实例免电池自供电源智能温差发电模块3的发电器件平面设计示意图。如图9所示，为本发明应用实例免电池自供电源智能温差发电模块3的发电器件三维设计示意图。
如图10所示，为本发明应用实例集成封装控制板的智能温差发电模块4结构示意图。如图10示，传统发电器件结构底层陶瓷片作了水平延伸，可以安装控制板及其各电子元件。控制板及其各电子元件纵向高度低于热电元件，控制板及其各电子元件到顶层陶瓷片间的空隙可以空置，也可以填充绝热材料，这样控制板及其各电子元件不至于被热源加热。控制板电源可以采用发电器件，即免电池自供电源智能温差发电模块3的设计。集成封装控制板的好处是进一步减少了连线，除了智能模块间的串并连接，再不需要任何数据采集连线。
如图11所示，为本发明应用实例适用于先并后串阵列结构的智能温差发电模块串I结构示意图，以下也可简称智能模块串。图11中所有发电器件的正极与负极分别接在一起形成并联；每个发电器件串接配置I个可控开关取代一部分固定导线，开关闭合则发电器件连接在阵列中，开关断开则发电器件被摘除在阵列外；所有发电器件共配置I个控制板，其中的多通道传感器接口模块读取所有发电器件的串路电流或温度传感器反馈，经过处理器模块的分析计算判断各电流或各温度，例如摘除时判断电流是否小于0，摘除时判断电流是否小于其他预设值，摘除时判断温度是否小于其他预设值，复活时判断温度是否大于其他预设值，等等。通过多通道驱动输出在所有保持继电器控制线圈中产生不同方向的电流脉冲，调节所有开关的导通和断开，工作于低温和衰减严重的模块可以从整个阵列中动态摘除并在高温时动态复活，变成一个可自治优化的系统；图中当保持继电器为单线圈控制时，控制板继电器控制驱动模块可以用I个双极性输出端口，也可以借助H桥用2个单极性输出端口实现；保持继电器也可以为双线圈控制；或者控制板多通道传感器接口模块读取所有发电器件温度传感信号，经过无线收发器反馈到I台监控主机，在其中和阵列中其他智能模块无线反馈的温度传感信号进行同步，合成，作为热电系统模型的输入参数计算产生优化拓扑及一套完整的开关导通断开指令，之后再经过无线收发器接收本地智能模块串对应的开关指令，通过控制多通道输出驱动所有发电器件的继电器执行相应的导通断开动作。
用智能温差发电模块串I组成先并后串阵列结构，各模块共用I个控制板，硬件资源高度整合并充分利用，从而节省了成本和空间。
智能温差发电模块串I的顶部有I个并联开关，控制板可以驱动其导通断开；用智能温差发电模块串I组成先并后串阵列结构，当模块串中所有模块都摘除时，由于模块共用I个控制板，可以在本地准确判断最后一个摘除的模块，并在本地将顶部开关闭合以避免断路，而无须通过主机或智能模块间相互通知，从而节省了无线通信开销和能量。
如图12所示，为本发明应用实例适用于先串后并阵列结构的智能温差发电模块串2结构示意图，以下也可简称智能模块串。图12中所有发电器件形成串联；每个发电器件配置2个可控开关，分别串接和并接发电器件，任意时刻只有I个闭合，串接开关闭合并接开关断开则发电器件连接在阵列中，串接开关断开并接开关闭合则发电器件被旁路在阵列外；所有发电器件共配置I个控制板，其中的多通道传感器接口模块读取所有发电器件的并联端电压或温度传感器反馈，经过处理器模块的分析计算判断各端电压或各温度，例如摘除时判断电压是否小于0，摘除时判断电压是否小于其他预设值，摘除时判断温度是否小于其他预设值，复活时判断温度是否大于其他预设值，等等。通过多通道驱动输出在所有保持继电器控制线圈中产生不同方向的电流脉冲，调节所有开关的导通和断开，工作于低温和衰减严重的模块可以从整个阵列中动态摘除并在高温时动态复活，变成一个可自治优化的系统；图中当保持继电器为单线圈控制时，控制板继电器控制驱动模块可以用I个双极性输出端口，也可以借助H桥用2个单极性输出端口实现；保持继电器也可以为双线圈控制；或者控制板多通道传感器接口模块读取所有发电器件温度传感信号，经过无线收发器反馈到I台监控主机，在其中和阵列中其他智能模块无线反馈的温度传感信号进行同步，合成，作为热电系统模型的输入参数计算产生优化拓扑及一套完整的开关导通断开指令，之后再经过无线收发器接收本地智能模块串对应的开关指令，通过控制多通道输出驱动所有发电器件的继电器执行相应的导通断开动作。用智能温差发电模块串2组成先串后并阵列结构，各模块共用I个控制板，硬件资源高度整合并充分利用，从而节省了成本和空间。用智能温差发电模块串2组成先串后并阵列结构，当模块串中所有模块都摘除时，由于模块共用I个控制板，可以在本地准确判断最后一个摘除的模块，并在本地将最后一个摘除的模块的并联开关不闭合以避免短路，而无须通过主机或智能模块间相互通知，从而节省了无线通信开销和能量。
如图13所示，为本发明应用实例智能热电模块(串)自治优化流程示意图。如图14所示，为本发明应用实例智能热电模块(串)主机优化示意图。智能热电模块控制板读取的发电器件温度传感信号，经过无线收发器反馈到I台监控主机，在其中和阵列中其他智能模块无线反馈的温度传感信号进行同步合成，作为热电系统模型的输入参数计算产生优化拓扑及一套完整的开关导通断开指令，之后再经过无线收发器接收本地智能模块串对应的开关指令，通过继电器控制驱动模块控制继电器执行相应的导通断开动作。基于热电系统模型的计算方法包括查表法，实时仿真法等。例如查表法，采用先进热电系统模型，对每一种可能的阵列连接方式的所有可能模块冷热温度条件进行遍历计算，产生模块冷热温度条件和输出功率的一一对应关系；在控制自动操作时，用各智能模块反馈的温度检索事先建立的数据表格，功率最大的阵列连接方式即为优化拓扑。如图15所示，为本发明应用实例以4个智能模块先并后串阵列为例示意图。事先通过热电系统模型逐次进行优化拓扑计算，建立如下形式的数据表1:
表I
权利要求
1.一种半导体温差热电发电方法，其特征在于，所述半导体温差热电发电方法包括: 获取热电阵列中所有或其中部分发电器件的温度信号； 根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令； 根据所述各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，控制所述热电阵列中的各个发电器件对应的可控开关的导通或断开状态。
2.如权利要求1所述半导体温差热电发电方法，其特征在于，所述方法还包括: 获取所述热电阵列的所有或其中部分发电器件的串路电流或并联端电压； 根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号，以及串路电流或并联端电压进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令。
3.如权利要求2所述半导体温差热电发电方法，其特征在于， 所述获取热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号，包括:通过无线收发器获取热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号； 所述获取所述热电阵列的所有或其中部分发电器件的串路电流或并联端电压，包括:通过无线收发器获取所述热电阵列的所有或其中部分发电器件的串路电流或并联端电压。
4.如权利要求2所述半导体温差热电发电方法，其特征在于，所述根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，包括: 根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号，利用查表法或实时仿真法进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令； 所述根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号，以及串路电流或并联端电压进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，包括: 根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号，以及串路电流或并联端电压，利用查表法或实时仿真法进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令。
5.如权利要求1-4任一项 所述半导体温差热电发电方法，其特征在于，所述可控开关包括保持继电器；所述保持继电器为单线圈或双线圈:当所述保持继电器为单线圈时，所述继电器控制驱动模块用I个双极性输出端口，或者借助H桥用2个单极性输出端口实现；所述热电阵列中的所有发电器件对应一个控制单元，或者所述热电阵列中的每个发电器件对应一个控制单元；所述控制单元通过电池或者发电器件中的一部分热电偶进行供电； 当所述热电阵列为先并后串阵列结构时，分别为各个发电器件配置一个可控开关:可控开关串接发电器件； 当所述热电阵列为先串后并阵列结构时，分别为各个发电器件配置两个可控单刀单掷开关:一个可控开关串接发电器件，另一个可控开关并接发电器件；或者为各个发电器件配置一个可控单刀双掷开关:一个通路串接发电器件，另一个通路并接发电器件。
6.一种半导体温差热电发电装置，其特征在于，所述半导体温差热电发电装置包括:控制单元，所述半导体温差热电发电装置还包括:热电阵列中的一个或多个发电器件；其中，所述控制单元包括: 传感器接口模块，用于获取所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号； 处理器模块，用于在进行优化拓扑后，获取所述热电阵列功率最大化时所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令； 继电器控制驱动模块，用于根据所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，控制所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开状态。
7.如权利要求6所述半导体温差热电发电装置，其特征在于，所述热电阵列中包括多个所述半导体温差热电发电装置，其中，一个控制单元对应一个或多个发电器件； 所述热电阵列中的所有发电器件对应一个主控主机时，主控主机用于根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件对应的控制单元发送来的温度信号进行优化拓扑，以产生所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，并发送回给对应的控制单元；或者， 所述控制单元中的处理器模块，用于根据所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号进行优化拓扑，以产生所述热电阵列功率最大化时所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令； 所述传感器接口模块，还获取所述控制单元对应的一个或多个发电器件的串路电流或并联端电压； 所述控制单元中的处理器模块，进一步用于根据所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号，以及串路电流或并联端电压进行优化拓扑，以产生所述热电阵列功率最大化时所述控制单 元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令。
8.如权利要求7所述半导体温差热电发电装置，其特征在于， 所述控制单元，用于通过无线收发器发送所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号；进一步用于通过无线收发器发送所述控制单元对应的一个或多个发电器件的串路电流或并联端电压。
9.如权利要求7所述半导体温差热电发电装置，其特征在于， 所述主控主机，进一步用于根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件对应的控制单元发送来的温度信号，利用查表法或实时仿真法进行优化拓扑，以产生所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，并发送回给对应的控制单元；或者， 所述控制单元中的处理器模块，进一步用于根据所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号，利用查表法或实时仿真法进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令；或者， 所述控制单元中的处理器模块，进一步用于根据所述控制单元对应的一个或多个发电器件的温度信号，以及串路电流或并联端电压，利用查表法或实时仿真法进行优化拓扑，以产生所述热电阵列功率最大化时所述控制单元对应的一个或多个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令。
10.如权利要求6-9任一项所述半导体温差热电发电装置，其特征在于，所述可控开关包括保持继电器；所述保持继电器为单线圈或双线圈:当所述保持继电器为单线圈时，所述继电器控制驱动模块用I个双极性输出端口，或者借助H桥用2个单极性输出端口实现；所述控制单元通过电池或者发电器件中的一部分热电偶进行供电； 当所述热电阵列为先并后串阵列结构时，分别为各个发电器件配置一个可控开关:可控开关串接发电器件； 当所述热电阵列为先串后并阵列结构时，分别为各个发电器件配置两个可控单刀单掷开关:一个可控开关串接发电器件，另一个可控开关并接发电器件；或者为各个发电器件配置一个可控单刀双掷开关:一个通路串接发电器件，另一个通路并接发电器件。
全文摘要
本发明实施例提供一种半导体温差热电发电方法及装置，所述半导体温差热电发电方法包括获取热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号；根据所述热电阵列中的所有或其中部分发电器件的温度信号进行优化拓扑，获取所述热电阵列功率最大化时各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令；根据所述各个发电器件对应的可控开关的导通或断开指令，控制所述热电阵列中的各个发电器件对应的可控开关的导通或断开状态。本发明实施例通过调节开关的导通和断开，可以将工作于低温和衰减严重的发电器件模块从整个热电阵列中动态摘除，变成一个可优化的系统，从而可以尽量减小热电阵列中的失配问题。
文档编号G05F1/67GK103197719SQ20131014604
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月24日 优先权日2013年4月24日
发明者陈旻, 陈树泉 申请人:北京鸿雁荣昌电子技术开发有限公司