小型溫差發(fā)電技術(shù)研究

宋其軍 黃凱

摘? ?要：發(fā)現(xiàn)塞貝克效應(yīng)以來(lái)，國(guó)外對(duì)溫差發(fā)電進(jìn)行了大量研究。溫差發(fā)電芯片采用獨(dú)特的薄膜技術(shù)加工制造而成，生產(chǎn)工藝結(jié)合微電子薄膜和類似MEMS芯片技術(shù)，在4cm2內(nèi)的溫度變化可以產(chǎn)生0.5～5V的電壓，可持續(xù)供電。本文利用溫差芯片、散熱片、4mm厚鋼板、銅柱、熱傳導(dǎo)橡膠，USB連接裝置等，制造一個(gè)野外小型溫差手機(jī)充電裝置利用外部火源對(duì)儀器進(jìn)行加熱產(chǎn)生高溫?zé)嵩?，冷水即為低溫?zé)嵩?，二者結(jié)合即可給手機(jī)充電。

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電片? 溫差發(fā)電? 塞貝克效應(yīng)

中圖分類號(hào)：TM913? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（a）-0089-02

Abstract： Since Seebeck discovered Seebeck effect in 1821， a great deal of research has been done on thermoelectric generation abroad.? The thermoelectric generation chip is manufactured by a unique thin film technology. The production process combines microelectronic thin film and similar MEMS chip technology. The temperature change within 4cm2 can generate a voltage of 0.5-5V， which can continuously supply power.? This project uses temperature difference chip， heat sink， 4mm thick steel plate， copper column， heat conduction rubber， USB connection device， etc. to manufacture a small field temperature difference mobile phone charging device， which uses external fire source to heat the instrument to generate high temperature heat source， and cold water is the combination of low temperature heat source to charge the mobile phone.

Key Words： Thermoelectric disc; Thermoelectric generation; Sebeck effect

德國(guó)物理學(xué)家賽貝克發(fā)現(xiàn)，在兩種不同金屬所組成的閉合回路中，當(dāng)兩點(diǎn)接觸的溫度不同時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)[1]。湯姆遜利用他的熱力學(xué)理論從理論上預(yù)言了一種新的溫差電效應(yīng)，當(dāng)電流在溫度不均勻的導(dǎo)體中流過(guò)時(shí)，導(dǎo)體除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量[2]。雖然最近幾年隨著能源與環(huán)境危機(jī)的日漸突出，以及一批高性能熱電轉(zhuǎn)換材料的開(kāi)發(fā)成功，溫差電技術(shù)的研究又重新成為熱點(diǎn)，但突破的希望還是在于轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定提高[3]。本課題利用上述原理制作了一個(gè)簡(jiǎn)易的野外手機(jī)發(fā)電項(xiàng)目。

1? 本課題主要應(yīng)用原理

溫差發(fā)電原理：在金屬中高低溫?zé)嵩礈囟炔煌瑴囟雀叩囊欢俗杂呻娮觿?dòng)能大并且向溫度低的一端進(jìn)行熱擴(kuò)散，自由電子向低溫?zé)嵩磾U(kuò)散從而形成電勢(shì)差建立內(nèi)電場(chǎng)，這種效應(yīng)一直持續(xù)到高低溫?zé)嵩措妱?shì)差平衡為止。

塞貝克效應(yīng)：在不同種金屬組成的閉合回路中兩種金屬兩端溫度不同時(shí)產(chǎn)生溫差電效應(yīng)。

2? 溫差發(fā)電應(yīng)用前景應(yīng)用及溫差發(fā)電電路圖

2.1 溫差發(fā)電前景與優(yōu)勢(shì)分析

傳統(tǒng)能源主要以礦物化石能源為主，由于近幾十年人類對(duì)化石能源的過(guò)度消耗導(dǎo)致人類面臨資源枯竭和環(huán)境問(wèn)題的挑戰(zhàn)。太陽(yáng)能是綠色環(huán)保能源，溫差發(fā)電可以直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能并且簡(jiǎn)化發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有良好的發(fā)展前景。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱發(fā)電方式都用發(fā)電機(jī)或者蒸汽輪機(jī)作源動(dòng)機(jī)，噪音很大并普遍造成環(huán)境污染，而溫差發(fā)電技術(shù)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)噪聲且不需要維護(hù)，簡(jiǎn)化發(fā)電結(jié)構(gòu)，可自由調(diào)節(jié)溫差發(fā)電模塊的數(shù)量等優(yōu)勢(shì)。

2.2 小型溫差發(fā)電項(xiàng)目電路圖以及說(shuō)明

熱源由蠟燭提供，冷源為水，Tn金屬1，Tc金屬2，P和N為一對(duì)電偶，Rl接DCDC和USB。

熱源自由電荷經(jīng)P區(qū)向下擴(kuò)散，自由電子則經(jīng)N區(qū)向上移動(dòng)，理論上60℃即可產(chǎn)生5V電壓，接通電路電壓經(jīng)DCDC穩(wěn)壓輸出標(biāo)準(zhǔn)5V電壓給手機(jī)充電，蠟燭產(chǎn)生的火焰溫度被硅膠吸收并穩(wěn)定發(fā)散自熱源金屬片表面，不僅可以均勻受熱，也可防止電壓過(guò)大燒毀器件。

3? 結(jié)語(yǔ)

回路中兩種不同金屬，金屬兩端溫度不同時(shí)可形成電勢(shì)，但產(chǎn)生得電勢(shì)靠溫差大小決定，產(chǎn)生等量得溫差所耗費(fèi)得能源更多，由此得出現(xiàn)階段溫差發(fā)電任處于低效。但是我們相信以后可以開(kāi)發(fā)出更好的電導(dǎo)材料使溫差發(fā)電效率提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 翟秀靜，劉奎仁，韓慶.新能源技術(shù)溫差能發(fā)電[D].東北大學(xué)，2010.

[2] 楊名舟.中國(guó)新能源[J].溫差能，2013（5）：284-289.

[3] 李健保，李健峰.新能源材料及其應(yīng)用技術(shù)[J].溫差電池，溫差發(fā)電系統(tǒng)，2005（11）：301-304.