基于溫差發(fā)電技術(shù)的模塊化配套裝置的設(shè)計

呂學(xué)良 姚杰聰 李彬

一種基于溫差發(fā)電片為模塊的配套裝置，設(shè)計旨在利用生活中一些可用熱源產(chǎn)生一定功率的電源輸出。通過匹配熱源狀況設(shè)計了配套裝置的外形結(jié)構(gòu)和工作電路，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一套小功率發(fā)電、儲電裝置，可利用如空調(diào)外機(jī)出風(fēng)熱源，該系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能可用來驅(qū)動小功率用電器，滿足家居生活的一定需要，且裝置結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，在家庭中裝設(shè)不影響美觀，為家居低碳理念的實(shí)現(xiàn)提供了一種很好的選擇，有一定的使用和推廣價值。

溫差發(fā)電片；外形設(shè)計；空調(diào)熱風(fēng)；家居低碳

當(dāng)今世界，能源與氣候問題日益突出，在全球氣候變暖的大背景下，低能耗、低排放、低污染的“低碳經(jīng)濟(jì)”時代即將到來。低碳的循環(huán)的能源亟待發(fā)展，對于家居生活的低碳能源倡導(dǎo)，我們還沒有投入足夠的關(guān)注。低碳家居作為一個新興理念在未來發(fā)展中將逐漸顯現(xiàn)出其價值。本文關(guān)注這一理念，并對家居低碳概念付諸實(shí)際行動。溫差作為我們?nèi)粘Ｉ钪袠O其常見的物理現(xiàn)象，有著其不為大多數(shù)人所洞察的潛在能量，目前對于這塊能量的利用還處于初步的階段，我們采用半導(dǎo)體溫度發(fā)電模塊來對熱源能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化[1]，其具有無噪音、低污染、轉(zhuǎn)化率相對較高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛地用于對家電廢熱的回收及利用，所產(chǎn)生的電能可作為家庭輔助電力供應(yīng)系統(tǒng)來使用。

本器件的重要組件為半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，其以塞貝爾效應(yīng)[2]為基本原理制成。半導(dǎo)體溫差發(fā)電是一種將溫差能（熱能）轉(zhuǎn)化成電能的固體狀態(tài)能量轉(zhuǎn)化方式。事實(shí)上，溫差發(fā)電片在溫差較小的范圍內(nèi)并不能體現(xiàn)實(shí)際的利用價值。本文選擇空調(diào)外機(jī)出風(fēng)作為熱源，很大程度上考慮到空調(diào)其出風(fēng)口的溫度相較于環(huán)境存在較為可觀的溫差。

在空調(diào)外機(jī)的出風(fēng)口處架一與出風(fēng)口大小相匹配的圓弧形罩面（其尺寸隨空調(diào)設(shè)計規(guī)格的不同而調(diào)整），照面內(nèi)部規(guī)則鑲嵌若干溫差發(fā)電片如圖1（a），系統(tǒng)整體功能的實(shí)現(xiàn)是通過熱風(fēng)使得罩面兩側(cè)形成一定溫度差，內(nèi)部的溫差發(fā)電片通過線路排布，整合成效率較高的轉(zhuǎn)化裝置，所產(chǎn)生的電能經(jīng)由配置控制電路或儲存在蓄電池或直接加載到用電器上。罩面由五個支架固定在空調(diào)外機(jī)上，罩面與出風(fēng)口之間留有空隙，使熱空氣向側(cè)面流通，防止外機(jī)散熱受阻，引起壓縮機(jī)無法工作。發(fā)電片在罩面內(nèi)部的排布參照太陽能電池方陣，其主件是由溫差發(fā)電片單體串并聯(lián)獲得[3]，其撲拓結(jié)構(gòu)如圖1（b）。

考慮陣列中所有模塊兩端的溫差構(gòu)成矩陣 T

假設(shè)熱電偶的賽貝克系數(shù)[4]，模塊的內(nèi)阻和導(dǎo)熱性都與溫度無關(guān)。我們可以將陣列模塊等效為一個電壓源，其開路電壓和電阻分別為和，不考慮輸出電流的限制，所以可計算得：當(dāng)時，輸出功率取到最大：

這里是單一熱電偶的塞貝克系數(shù)； 是與組件相關(guān)的導(dǎo)熱性系數(shù)； t是組件兩端的溫差。從上式看出，該裝置的輸出功率主要受三個因素影響：發(fā)電片的規(guī)格及性能參數(shù)；模塊的陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；兩端溫差。

溫差發(fā)電罩面包括鋁制外殼層、溫差發(fā)電片、線路排布通道、內(nèi)殼層、整體電流輸出線路管，溫差發(fā)電片利用軟性導(dǎo)熱硅膠絕緣墊固定在散熱鋁槽所做外殼。軟性硅膠導(dǎo)熱材料有良好的導(dǎo)熱能力、高強(qiáng)的絕緣效果、厚度可選擇、柔軟而富有彈性等特點(diǎn)，引導(dǎo)熱量由內(nèi)而外，分散熱量使空間內(nèi)達(dá)到均溫。在散熱設(shè)計中的應(yīng)用是很廣泛的。

我們所用的溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)通過構(gòu)建冷熱源，模擬溫差發(fā)電裝置工作環(huán)境，測定溫差發(fā)電裝置在不同溫差條件下的熱電特性。實(shí)驗(yàn)得出TEC112706T200溫差發(fā)電片發(fā)電特性如下：

表1溫差發(fā)電片測試一試驗(yàn)組數(shù)

實(shí)驗(yàn)條件說明：冷源溫度恒定為30℃；熱源加熱至穩(wěn)定20秒后讀數(shù)；熱源初始溫度為35℃，逐漸上升。實(shí)驗(yàn)測試不同溫度等級下的空載電動勢得到變化曲線，兩組全呈線性增長的變化趨勢。由表知，當(dāng)溫度在45℃到55℃時，其發(fā)電特性接近于水平，能得到穩(wěn)定電壓1V。我們估計在夏季室外的溫度平均可達(dá)32℃，而空調(diào)外機(jī)吹出的熱風(fēng)的溫度可達(dá)70℃左右。這里的溫差在考慮到罩面導(dǎo)熱損耗所產(chǎn)生的的溫差趨近因素，我們可以確定該款溫差發(fā)電片能達(dá)到預(yù)定的功率輸出。但是顯而易見，其電壓水平達(dá)不到正常用電器的工作電壓，所以可以通過上述的陣列排布將多片串并聯(lián)起來提高電壓，并且針對這一溫差發(fā)電組件，設(shè)計系統(tǒng)的蓄電電路，將溫差發(fā)電片組件所產(chǎn)生的電能，經(jīng)過升壓，穩(wěn)壓進(jìn)而儲存到蓄電池中以備使用，該電路結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，而且轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了90%以上。

結(jié)論：我們通過溫差發(fā)電片模塊化的設(shè)計，使其與空調(diào)相配套，構(gòu)成可靠，低碳的發(fā)電系統(tǒng)。并且對該模塊組件進(jìn)行陣列線路的分析，推導(dǎo)得到該模塊所能輸出的最佳功率的表達(dá)。并且選用到一款合適的溫差發(fā)電片，對他的在溫差的主要性能參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)檢測，其符合日?？照{(diào)使用的環(huán)境情況。最后本文還通過整合蓄電電路，解決了整個系統(tǒng)所產(chǎn)生電源的存儲和正常范圍內(nèi)電壓驅(qū)動等問題。

[1]鄭藝華，馬永志.溫差發(fā)電技術(shù)及其在節(jié)能領(lǐng)域的研究究.節(jié)能技術(shù)，2006.02

[2]許志建，徐行.塞貝克效應(yīng)與溫差發(fā)電[J].現(xiàn)代物理知識，2004.16