半導(dǎo)體溫差自發(fā)電燃?xì)鉄崴髟O(shè)計(jì)與性能研究

摘 要：一種高效節(jié)能的燃?xì)鉄崴鲗?duì)環(huán)境改善和能源節(jié)約具有重要意義，本文設(shè)計(jì)了一種基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的自發(fā)電燃?xì)鉄崴餮b置，通過水冷散熱和自主發(fā)電，提高了散熱和溫差發(fā)電的效率，同時(shí)解決了使用干電池帶來的浪費(fèi)和環(huán)境污染問題。本裝置以半導(dǎo)體發(fā)電裝置為核心，通過扁平冷熱水管+溫差發(fā)電模塊構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)維持較大的穩(wěn)定溫差，使輸出功率更大、更穩(wěn)定。本文研究成果可為低成本和高效節(jié)能自發(fā)電燃?xì)鉄崴鞯脑O(shè)計(jì)與應(yīng)用拓展新的思路。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體；自發(fā)電；溫差發(fā)電；高效節(jié)能；燃?xì)鉄崴?/p>

中圖分類號(hào)：TM 23" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)以其高效性、環(huán)保性、可持續(xù)性、靈活性以及可集成性，為能源轉(zhuǎn)換和利用領(lǐng)域帶來了新的可能性，在節(jié)能減排、推動(dòng)可持續(xù)能源發(fā)展等方面持續(xù)發(fā)揮重要作用。1）半導(dǎo)體溫差發(fā)電是一種能夠?qū)夭钪苯愚D(zhuǎn)為電能的技術(shù)，可有效提高能源利用效率。2）半導(dǎo)體溫差發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生污染物和溫室氣體排放，有助于降低碳排放和環(huán)境污染。3）半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)基于可再生熱能資源，可為長(zhǎng)期的能源需求提供可持續(xù)性的解決方案。4）半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)可與其他能源轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)能源的綜合利用[1-2]。與傳統(tǒng)的熱機(jī)和熱電聯(lián)供系統(tǒng)相比，半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率和更小的體積。本文設(shè)計(jì)了一種基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的燃?xì)鉄崴鳎?duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電的原理、結(jié)構(gòu)和性能做了相關(guān)研究，通過應(yīng)用半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)和水冷散熱技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的熱水供應(yīng)和電壓輸出并提高能源利用率提供了一種更便捷和可持續(xù)的能源解決方案。

1 器件原理與設(shè)計(jì)

1.1 熱水器結(jié)構(gòu)

為了滿足基于半導(dǎo)體自發(fā)電燃?xì)鉄崴鞯脑O(shè)計(jì)要求[1-2]，

本文設(shè)計(jì)了一種自發(fā)電燃?xì)鉄崴鳎ㄈ鐖D1所示），主要由溫差發(fā)電模塊、燃燒器模塊、直流風(fēng)機(jī)、控制芯片、純銅水箱、熱水管、冷水管、連接件和接觸腔構(gòu)成。接觸腔分別設(shè)置在溫差發(fā)電模塊兩側(cè)，兩側(cè)的接觸腔分別與冷水管和熱水管連接，連接件設(shè)置在兩接觸腔間，連接件將兩接觸腔和兩接觸腔所夾持的溫差發(fā)電模塊進(jìn)行固定。在溫差發(fā)電模塊與接觸腔的接觸面上設(shè)置有導(dǎo)熱硅膠[3-4]，用于輔助溫差發(fā)電模塊冷端散熱。接觸腔整體結(jié)構(gòu)為正方體或立方體結(jié)構(gòu)，在接觸腔上分別設(shè)置與外界連通的第一連接管和第二連接管，第一連接管和第二連接管分別對(duì)稱設(shè)置在接觸腔的上、下兩端面上，第一連接管和第二連接管突出于接觸腔所在的壁面。燃燒器模塊主要是為了對(duì)從外部熱端輸入的液體進(jìn)行加熱，從而為溫差發(fā)電模塊的熱端提供持續(xù)的高溫輸入。進(jìn)水管路通過半導(dǎo)體發(fā)電裝置的低溫端后與水箱連接。出水管路通過半導(dǎo)體發(fā)電裝置的高溫端對(duì)外供給熱水，半導(dǎo)體發(fā)電裝置與所述儲(chǔ)能部連通。加熱部設(shè)置在水箱下側(cè)位置，方便給溫差發(fā)電模塊熱端輸入提供加熱源。煙氣排空部設(shè)置在水箱上部位置。儲(chǔ)能部分分別通過線路與半導(dǎo)體發(fā)電裝置、煙氣排空部連接，其目的是利用溫差發(fā)電模塊的冷端和熱端的溫差發(fā)電，并進(jìn)行存儲(chǔ)與利用。

1.2 熱水器設(shè)計(jì)原理

為解決現(xiàn)有技術(shù)中燃?xì)鉄崴鳠犭娔K發(fā)電時(shí)散熱不足、熱端與冷端的溫差不高，從而導(dǎo)致整體發(fā)電效率不高的問題[5-6]，本文在燃?xì)鉄崴髦幸霚夭畎l(fā)電模塊，通過再次利用熱水器工作中產(chǎn)生的熱能，實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉄崴髯园l(fā)電，解決了使用干電池帶來的環(huán)境污染和能源浪費(fèi)問題。由半導(dǎo)體溫差發(fā)電原理可知，溫差發(fā)電模塊的兩端溫差越大，發(fā)電模塊輸出的功率越大[7-8]。因?yàn)闇夭畎l(fā)電模塊通常較薄，多數(shù)溫差發(fā)電模塊的厚度一般為5mm左右，同時(shí)低溫端散熱不足的話，會(huì)導(dǎo)致溫差發(fā)電模塊兩端的溫度差隨設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間增加而逐漸變小，最后低溫端溫度會(huì)逐漸趨于熱端溫度，從而導(dǎo)致溫差發(fā)電模塊整體輸出功率隨啟動(dòng)時(shí)間增加而逐漸變小。

基于此原理，本文所述溫差發(fā)電模塊的散熱處采用恒流速的水冷散熱，以使溫差發(fā)電模塊的冷端能夠保持低溫工作狀態(tài)，從而使輸出達(dá)到最高輸出功率，除此之外，該設(shè)備還利用散熱模塊和溫差發(fā)電模塊構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)，由于該結(jié)構(gòu)是將溫差發(fā)電模塊的冷端和熱端分別夾在了恒流水冷散熱和熱水器的熱端輸入中間，因此才能夠最大化熱端和冷端的優(yōu)點(diǎn)，使溫差發(fā)電模塊穩(wěn)定在溫差較大的工作環(huán)境中，從而有效提升溫差發(fā)電模塊的輸出功率[9-10]。

1.3 具有三明治結(jié)構(gòu)的溫差發(fā)電模塊

本文設(shè)計(jì)了扁平冷熱水管+溫差發(fā)電模塊構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)，利用燃?xì)鉄崴髯詭У乃渖岙a(chǎn)生的穩(wěn)定溫差，使其直流電輸出功率保持較大且穩(wěn)定（如圖2所示）。同時(shí)，設(shè)計(jì)了包括蓄電池、充放電保護(hù)模塊、控制芯片在內(nèi)的控制電路與儲(chǔ)能裝置，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命[11-12]。接觸腔上設(shè)置有與外界連通的第一連接管和第二連接管，分別對(duì)稱設(shè)置在接觸腔上、下兩端面上，第一連接管和第二連接管突出于接觸腔所在的壁面。通過第一連接管和第二連接管可以快捷地連接熱水管路或冷水管路，簡(jiǎn)化整體組裝，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。第一連接管和第二連接管上設(shè)置有螺紋，可與外界管路進(jìn)行穩(wěn)定連接。連接件為連接板和連接螺栓。連接板分別與接觸腔和溫差發(fā)電模塊連接，相鄰的連接板通過連接螺栓進(jìn)行鎖定，可保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由于熱水器有大小限制，因此本文將10塊（30×30×3.6）mm的TEG-127微型溫差發(fā)電片作為熱水器的溫差發(fā)電模塊，單個(gè)發(fā)電片的熱導(dǎo)率為2.18W/（m·K），負(fù)載功率為2.1W，輸出電壓為3.2V。其工作原理如下所示。打開熱水器開關(guān)后，冷水經(jīng)冷水管進(jìn)入純銅水箱，燃燒器將其持續(xù)加熱至設(shè)定溫度后，由熱水管排出使用。由于溫差發(fā)電模塊兩面涂敷導(dǎo)熱硅膠并夾在扁平的水管接頭中間，因此半導(dǎo)體發(fā)電模塊熱端、冷端的熱水與冷水間產(chǎn)生溫度差。根據(jù)半導(dǎo)體熱電發(fā)電原理可知，在目前的熱電制冷器件中最常用的半導(dǎo)體熱電材料是碲化鉍，通過摻雜得到p型和n型碲化鉍塊體或者器件單體。碲化鉍晶體具有天然的各相異性，是良好的熱電材料。

當(dāng)有電流通過不同導(dǎo)體組成的回路時(shí)，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，在不同導(dǎo)體的接頭處隨著電流方向的不同會(huì)分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。如果電流從自由電子數(shù)較高的一端A流向自由電子數(shù)較低的一端B，B端的溫度就會(huì)升高；反之，B端的溫度就會(huì)降低。這一效應(yīng)是可逆的，如果電流方向反過來，吸熱就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉艧帷?shí)際應(yīng)用中的熱電模塊一般包括2個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體電偶臂。將導(dǎo)電和導(dǎo)熱性都比較好的導(dǎo)流片串聯(lián)成一個(gè)單體。這些單體和導(dǎo)流片通常都被安裝在2片陶瓷基板間。熱電發(fā)電利用的是PN結(jié)發(fā)電原理。將PN結(jié)暴露在2種不同溫度的熱源間，當(dāng)有熱量傳遞時(shí)，電子和空穴的濃度在PN結(jié)兩側(cè)會(huì)發(fā)生差異，從而形成電勢(shì)差并產(chǎn)生電流，將熱能轉(zhuǎn)化成電能。

在具有穩(wěn)定溫差的工作環(huán)境下，溫差發(fā)電模塊開始工作后會(huì)輸出穩(wěn)定的直流電，充放電保護(hù)模塊和芯片控制系統(tǒng)對(duì)蓄電池當(dāng)前電量進(jìn)行判斷，決定將直流電存儲(chǔ)于蓄電池還是分給外界負(fù)載進(jìn)行供電。

1.4 電能儲(chǔ)存模塊

電能儲(chǔ)存模塊示意圖如圖3所示。電能儲(chǔ)存模塊包括24V鋰電池組、充放電保護(hù)模塊和STM32F4系列控制芯片。24V鋰電池組與充放電保護(hù)模塊相連接，以避免熱水器在工作中過充，對(duì)電池組進(jìn)行保護(hù)。為了保證24V鋰電池組電量充裕時(shí)能及時(shí)對(duì)外掛負(fù)載進(jìn)行供電，STM32F4與充放電保護(hù)模塊相連接，充放電保護(hù)模塊通過線路與半導(dǎo)體發(fā)電裝置進(jìn)行連通，STM32F4通過線路與直流風(fēng)機(jī)相連接[8]。STM32F4可將24V鋰電池組的電量用于點(diǎn)火，并將直流風(fēng)機(jī)用于排氣。需要點(diǎn)火時(shí)，STM32F4通過充放電保護(hù)模塊輸出24V鋰電池組的電量，以供點(diǎn)火裝置使用。需要排氣時(shí)，STM32F4可通過線路將電能轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)來控制線路連通，驅(qū)動(dòng)直流風(fēng)機(jī)進(jìn)行排氣操作，從而實(shí)現(xiàn)電能的實(shí)時(shí)儲(chǔ)存和有效利用。此外，STM32F4還能判斷24V鋰電池組存儲(chǔ)電量是否充滿。當(dāng)電池組存儲(chǔ)的電已充滿時(shí)，STM32F4會(huì)控制內(nèi)部電路通、斷，使當(dāng)前產(chǎn)生的輸出電量為外接負(fù)載供電，避免24V鋰電池組過度充電、爆炸或漏液等風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)24V鋰電池組電量降至設(shè)定的最低值時(shí)，STM32F4會(huì)關(guān)斷對(duì)直流風(fēng)機(jī)等負(fù)載的供電開關(guān)，以保證24V鋰電池組內(nèi)剩余電量能夠在下一次使用，即通過過充和過放來保護(hù)24V鋰電池組，延長(zhǎng)其使用壽命。

2 結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)行流程

自發(fā)電燃?xì)鉄崴鬟\(yùn)行流程圖如圖4所示。安裝好本裝置后按下啟動(dòng)開關(guān)，裝置接收到開始信號(hào)后自檢，自檢完成后設(shè)備發(fā)出開始運(yùn)行提示，設(shè)備正式開始運(yùn)行。冷熱雙端同時(shí)開始向內(nèi)部輸入液體（水），此時(shí)冷水管直接向發(fā)電模塊冷端輸入，同時(shí)燃燒器對(duì)熱端輸入進(jìn)行持續(xù)加熱。在熱量持續(xù)上升的過程中，當(dāng)冷、熱雙端溫差達(dá)到發(fā)電模塊發(fā)電最低要求時(shí)，發(fā)電模塊開始工作。發(fā)電模塊開始緩慢地向電能儲(chǔ)存模塊輸入電壓。隨著熱端持續(xù)加熱，半導(dǎo)體發(fā)電模塊的輸出也開始持續(xù)上升，直到熱端達(dá)到設(shè)定的最高溫度。此時(shí)冷、熱雙端的溫差也達(dá)到設(shè)定最大值，發(fā)電模塊的輸出穩(wěn)定在最大值，當(dāng)電能儲(chǔ)存模塊電量充滿時(shí)，將轉(zhuǎn)換的電能輸出至外接負(fù)載電源，同時(shí)熱水器熱端出水口開始流出可供使用的熱水，至此整個(gè)自發(fā)電燃?xì)鉄崴鞯囊淮喂ぷ魍瓿伞?/p>

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

為探究本裝置集成水冷散熱后的性能，在常溫、常壓下，對(duì)裝置冷端分別進(jìn)行氣體（空氣）輸入和液體（水）輸入的對(duì)比試驗(yàn)。為減少氣溫對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，分別在1d內(nèi)的08：00—10：00、10：00—12：00、13：00—15：00和15：00—17：00采集本裝置的雙端溫差、溫度下降速度以及發(fā)電效率，相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，4個(gè)時(shí)間段的平均數(shù)據(jù)見表1。其中，冷熱端溫度、電流和電壓數(shù)據(jù)分別由紅外線熱成像儀（FLIR 6XT）和萬用表（DELIXI DEM21）測(cè)量采集，發(fā)電效率如公式（1）所示。

（1）

式中：η為發(fā)電效率，η越高，表示半導(dǎo)體器件越能有效地將溫差轉(zhuǎn)化為電能；P為半導(dǎo)體輸出功率；ΔT為兩端的溫度差；A為半導(dǎo)體材料有效面積。

根據(jù)圖5和表1可知，與采用氣體（空氣）相比，采用液體（水）對(duì)發(fā)電模塊進(jìn)行降溫能夠得到更大的雙端溫差，雙端平均溫差由氣體的19.5℃提升至液體的34.5℃。同時(shí)，平均降溫速度也從0.42℃s-1加快至0.74℃s-1，從而使整體平均輸出功率從58W提升至77W，提升幅度近24%，發(fā)電效率也從4.83%提升至7.4%。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的氣體降溫相比，冷端采用液體降溫即水冷散熱，能夠明顯提升冷、熱雙端間的熱量交換，有利于獲得并維持更大的雙端溫差，從而提高裝置的能源利用。

3 結(jié)論

作為日常家用電器，燃?xì)鉄崴髌占懊鎻V、使用率高，因此提高其能源利用率是促進(jìn)節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的有效手段。本文以半導(dǎo)體發(fā)電裝置為核心，進(jìn)行了水冷散熱設(shè)計(jì)、保護(hù)模塊電路設(shè)計(jì)以及能源存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)。一方面，通過采用半導(dǎo)體自發(fā)電裝置，解決了常規(guī)干電池點(diǎn)火帶來的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題；另一方面，試驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用水冷散熱，可有效增加冷、熱雙端間的溫差，加快雙端間的能量交換，提高裝置的發(fā)電效率。此外，運(yùn)用電路保護(hù)模塊，可減少長(zhǎng)時(shí)間工作導(dǎo)致的電路元器件損壞。使用儲(chǔ)能模塊，可實(shí)現(xiàn)電能在點(diǎn)火或排風(fēng)間的智能分配。本文的研究結(jié)果將為自發(fā)電燃?xì)鉄崴鞒杀究刂坪透咝Ч?jié)能的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供新的思路。

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通信作者：肖冠南（1992-），男，四川安縣人，成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，博士，研究方向?yàn)槟芰看鎯?chǔ)與轉(zhuǎn)換材料/器件。

電子郵箱：455832552@qq.com。