新型半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)現(xiàn)

王偉 李港 徐琳珊 李晶晶 李興 王湘江

溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)的原理主要來源于塞貝克（Seebeck）效應(yīng)，將P型和N型兩種不同類型的熱電材料（P型是富空穴材料，N型是富電子材料）一端相連形成一個PN結(jié)，置于高溫狀態(tài)，另一端形成低溫，則由于熱激發(fā)作用，P（N）型材料高溫端空穴（電子）濃度高于低溫端，因此在這種濃度梯度的驅(qū)動下，空穴和電子就開始向低溫端擴(kuò)散，從而形成電動勢，這樣熱電材料就通過高低溫端間的溫差完成了將高溫端輸入的熱能直接轉(zhuǎn)化成電能的過程。單獨(dú)的一個PN結(jié)可形成的電動勢很小，而如果將很多這樣的PN結(jié)串聯(lián)起來，就可以得到足夠高的電壓，成為一個溫差發(fā)電器。

我們選取熱電轉(zhuǎn)換效率較高的材料，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)如下所述。

一、實(shí)驗(yàn)的物理模型

每種熱電材料在一定的溫度變化范圍內(nèi)具有較高的熱電轉(zhuǎn)換效率，我們在選擇實(shí)驗(yàn)材料的時候首先考慮了材料的優(yōu)值系數(shù)，最終我們選用Bi2Te3，因?yàn)樵谥械蜏貐^(qū)域，它的優(yōu)值系數(shù)的平均值高且穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?對碲化鉍基p-n熱電元件、銅制導(dǎo)電片（即電極）和導(dǎo)熱基底組成溫差發(fā)電模塊物理模型，結(jié)構(gòu)如圖1所示，更高的輸出功率可由這樣的單元串聯(lián)得到。p型和n型熱電元件均采用長寬高分別為0.7mm、0.7mm、1.2mm的立方體，2種熱電元件由銅制導(dǎo)電片（.4mm）串聯(lián)聯(lián)結(jié)，兩原件間隔1mm，上、下陶瓷導(dǎo)熱基底（1mm）起絕緣及導(dǎo)熱作用，熱源和熱沉的溫度分別為tn=100℃（沸水加熱）和tc=0℃（冰水混合物水冷系統(tǒng)）。

二、實(shí)驗(yàn)測試

為驗(yàn)證物理模型，本文建立了簡易的實(shí)驗(yàn)測試裝置。該裝置包含比例積分微分（PID）熱電器件、電加熱板、可調(diào)負(fù)載電阻、循環(huán)水冷卻單元（包括儲水箱、循環(huán)泵、熱沉（水冷頭））、熱電偶和測溫儀表、電壓計和電流計、導(dǎo)電線路等，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，熱電器件采用商用TEHP1-12635-1.2 型，通過調(diào)節(jié)冷卻水的流量實(shí)現(xiàn)冷端溫度的控制。設(shè)置數(shù)值計算中單元模塊幾何構(gòu)型與商用器件的相同，單元模塊輸出功率的計算結(jié)果乘以商用器件中的單元數(shù)量（126 對）即為實(shí)際輸出功率。

圖3所示為冷、熱端溫度分別約為tC=0 ℃和tH=100 ℃，同時為使裝置能夠輸出一個穩(wěn)定的功率，我們施加擾動電壓U；若功率減小，說明擾動電壓的方向相反，需調(diào)整擾動電壓的施加方向和大小。依據(jù)此方法反復(fù)施加擾動電壓并對其進(jìn)行調(diào)整，最終使發(fā)電裝置的輸出功率處于一個動態(tài)的平衡。

匹配負(fù)載電阻的理論阻值為2.35 Ω，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果為2.82 Ω，導(dǎo)致理論的輸出功率大于實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，其中的因素有以下幾點(diǎn)：

（1）物理模型中電阻存在隨溫度變化阻值改變的影響，導(dǎo)致理論結(jié)果偏高。

（2）實(shí)驗(yàn)中熱電器件的固定采取導(dǎo)熱膠粘結(jié)的方式，熱阻較大，且難以保證溫度分布均勻，熱電器件兩端的實(shí)際溫差要小于熱電偶直接測得的溫差。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在對新型半導(dǎo)體溫差發(fā)電的物理模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括熱電元件長度、面積和導(dǎo)熱基底厚度）對輸出功率和能量轉(zhuǎn)化效率的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試后，分析結(jié)果得到：

（1）對于最大輸出功率，熱電元件的最優(yōu)長度在0.075～0.125 mm 范圍內(nèi)，能量轉(zhuǎn)化效率隨著熱電元件長度的減小而提高。隨著熱電元件長度的增加，最大輸出功率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而最大能量轉(zhuǎn)化效率則不斷減小。

（2）輸出功率隨熱電元件截面積的增大而增大，面積比功率和能量轉(zhuǎn)化效率則緩慢下降。熱電元件截面積增加時，元件熱阻變小，整體優(yōu)值下降，因此能量轉(zhuǎn)化效率將減小，在所研究的范圍內(nèi)減小緩慢；同時從元件熱端流入的傳導(dǎo)熱流增加，因此輸出功率將增大，而截面積更小的熱電元件則具有更高的面積比功率。

（3）陶瓷導(dǎo)熱基底越厚，溫差發(fā)電模塊整體熱阻越大，同時熱電元件兩端溫差將減小，Seebeck 電動勢減小，因此輸出功率將會下降；盡管從模塊熱端吸入的熱流也會減小，但與功率下降幅度相比，熱流減小幅度較小，因此能量轉(zhuǎn)化效率也在不斷減小。

產(chǎn)品應(yīng)用前景：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及能源危機(jī)的日益迫切各國在利用溫差進(jìn)行低品位熱能發(fā)電方面加大了研究力度，溫差發(fā)電技術(shù)在節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)展。

（1）隨工業(yè)化進(jìn)程的加快，各種制造業(yè)和加工業(yè)等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣和廢液成倍增加，其中的余熱相當(dāng)可觀，工業(yè)余熱的合理利用是解決能源短缺問題的一個重要方面。利用溫差發(fā)電技術(shù)進(jìn)行工業(yè)余熱的發(fā)電，可降低成本，提高能源的利用率，可帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并能改善環(huán)境。

（2）隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛消耗的能源與日俱增，車輛的節(jié)能也越來越受關(guān)注。然而，以現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)指標(biāo)評估，燃油中 60 %左右的能量沒有得到有效利用，絕大部分以廢熱的形式排放到大氣中，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，利用發(fā)動機(jī)余熱發(fā)電是一個很好的節(jié)能途徑。近年來，車用發(fā)動機(jī)余熱溫差發(fā)電技術(shù)發(fā)展很快，轉(zhuǎn)換規(guī)模在數(shù)百瓦至幾千瓦之間。

（3）傳統(tǒng)的能源以化石能源為主，面臨來源枯竭和污染環(huán)境的挑戰(zhàn)。而太陽能、海洋能、地?zé)崮艿刃履茉词谴笞匀毁x予人類的取之不盡、用之不竭的環(huán)保能源。具有諸多優(yōu)點(diǎn)的溫差發(fā)電技術(shù)能夠直接將上述新能源轉(zhuǎn)化為電能，大大簡化了發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將獲得可觀的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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