基于塞貝克效應(yīng)的溫差發(fā)電器的設(shè)計與制作

陳潛源，明 星

(黃岡師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，湖北 黃州 438000)

基于塞貝克效應(yīng)的溫差發(fā)電器的設(shè)計與制作

陳潛源，明 星

(黃岡師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，湖北 黃州 438000)

本文基于塞貝克效應(yīng)的溫差半導(dǎo)體設(shè)計了一款溫差發(fā)電器，通過測量溫差T、輸出功率P與時間t的關(guān)系,計算出發(fā)電裝置的熱量變化，輸出的功和平均熱電轉(zhuǎn)化效率。溫差發(fā)電器是新型能源利用技術(shù)，可以將各種工業(yè)余熱、汽車廢熱等變廢為寶，以節(jié)約能源和提高效率。

塞貝克效應(yīng)；溫差發(fā)電器；新型能源

1 系統(tǒng)實現(xiàn)

1.1 理論背景

當(dāng)今社會，世界范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)增長與物質(zhì)文明的進(jìn)步，都和科學(xué)技術(shù)發(fā)展對能源的開發(fā)利用密切相關(guān)。目前運(yùn)行的火力發(fā)電廠超大量的廢氣排放，以及汽車尾氣里的二氧化碳的持續(xù)排放等，引起了日趨嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。近年來人們一方面調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，一方面不斷加大對新能源的開發(fā)利用。與此同時，能源利用效率也有待進(jìn)一步提高，特別是工業(yè)上和日常生活中余熱和廢熱的綜合利用是一個值得研究的課題。利用溫差發(fā)電技術(shù)將余熱和廢熱進(jìn)行綜合利用轉(zhuǎn)化成電能，在能源利用效率的提高和減少環(huán)境污染等方面具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)實意義。

塞貝克于1821年發(fā)現(xiàn)在銻與銅兩種材料所組成的電流回路中,如果兩個接觸點所處的溫度不同,那么在回路中就會有電流通過[1-2]。人們把產(chǎn)生這種電流的電動勢定義為熱電動勢，也叫做塞貝克電動勢或溫差電動勢。在P型(N型)半導(dǎo)體中，由于熱激發(fā)作用較強(qiáng)，高溫端的空穴(電子)濃度比低溫端的要大，在這種濃度梯度的驅(qū)動下，空穴(電子)由于熱擴(kuò)散作用，會從高溫端向低溫端擴(kuò)散，從而形成一種電勢差，這就是塞貝克效應(yīng)。將半導(dǎo)體兩端相互緊密接觸組成環(huán)路，若在兩聯(lián)接處保持不同溫度，則由于溫度差在環(huán)路中將產(chǎn)生溫差電動勢。如圖1(a)所示，則在熱端可得到一個電壓，那么一個PN結(jié)就可以利用高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩粗g的溫差將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能。如果將很多個這樣的PN結(jié)串聯(lián)起來，如圖1(b)所示，就可得到理想的電壓，增大輸出功率，故可以用作日常生活的發(fā)電機(jī)[3]。

1.2 實現(xiàn)方案和技術(shù)

本文設(shè)計的溫差發(fā)電器工作流程如圖2所示，實驗裝置與使用的溫差發(fā)電半導(dǎo)體模塊如圖3所示。將半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的冷端連接散熱片并置于冷水中，使其冷端溫度近似等于環(huán)境溫度。將導(dǎo)熱性良好的金屬容器裝入熱水，用導(dǎo)熱膏將容器和半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的熱端相連，使其熱端溫度近似等于熱水溫度。再通過升壓裝置將電壓升壓，用來點亮LED燈。同時用兩個數(shù)字溫度計分別測出環(huán)境和熱水的溫度，計算出溫度差，用單片機(jī)測出發(fā)電片產(chǎn)生的電壓和電流。

當(dāng)溫差發(fā)電模塊兩側(cè)溫差較低時，產(chǎn)生的電勢差較低。為防止這種情況，在控制器中設(shè)置了升壓電路，借助PT1301直流升壓集成塊[4]，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R2和R3的阻值，可以將溫差發(fā)電模塊產(chǎn)生的較低的直流電壓轉(zhuǎn)化成較高的直流電壓，升壓電路圖如圖4所示。直接輸出電壓為V0，升壓后電壓為V(公式(1))。

(1)

圖2 溫差發(fā)電器的工作流程圖

圖4 升壓電路圖

PT1301是一款最低啟動電壓可低于1V的小尺寸高效率升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，采用自適應(yīng)電流模式PWM控制環(huán)路。其內(nèi)部包含誤差放大器、斜坡產(chǎn)生器、比較器、功率開關(guān)和驅(qū)動器。PT1301能在較寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)穩(wěn)定和高效的工作，并且不需要任何外部補(bǔ)償電路。

2 實驗測試和驗證

2.1 測量數(shù)據(jù)

第一次測量如圖5所示，是加載一個51Ω的電阻，不加升壓模塊，直接測量溫差發(fā)電裝置產(chǎn)生的電壓和電流，計算輸出功率，通過近10min的測試，計算熱電轉(zhuǎn)化效率；

第二次測量如圖6所示，加升壓模塊，加載一個51Ω，測量溫差發(fā)電裝置產(chǎn)生的電壓和升壓后產(chǎn)生的電壓，計算輸出功率和溫差隨時間的變化。

2.2 數(shù)據(jù)分析

通過兩次實驗，從第一次(不加升壓模塊)的實測數(shù)據(jù)來看，如圖5(a)所示：輸出的電壓U和電流I隨時間t增長的而逐漸減?。桓鶕?jù)第一次實測的電壓、電流，可以計算出電功率，得到功率隨時間變化的圖，如圖5(b)所示：輸出的功率P也是隨時間t增長的而逐漸減小。顯然，隨時間t的增長體系的溫度會不斷下降，由此想到溫度差是使功率變小的重要原因，于是測出如圖5(b)的插圖，綜上得出隨著時間t的增長體系的溫度會不斷下降，導(dǎo)致功率不斷減小。

從第二次(加升壓模塊)的實測數(shù)據(jù)來看，如圖6(a)所示：加入升壓模塊后，電壓大大升高，但直接輸出的電壓和升壓后的電壓隨時間t的增長而逐漸減??；如圖6(b)所示：隨時間t增長體系與外界的溫度差逐漸降低，所產(chǎn)生的電壓、電流就越小，發(fā)電裝置輸出的功率越??；為了清楚地了解溫度差與電壓的變化規(guī)律，作出溫度差與電壓的變化規(guī)律圖，如圖6(c)所示：隨著溫度差增大直接輸出的電壓和升壓后的電壓都變大，且加入升壓模塊后，電壓大大升高。綜合第二次測試的結(jié)果來看，如圖6所示，熱端和冷端的溫差基本恒定時，所產(chǎn)生的電壓、電流、輸出功率變化緩慢；且選取一段系統(tǒng)比較穩(wěn)定區(qū)間，所產(chǎn)生的電壓、電流、輸出功率與時間基本呈現(xiàn)線性關(guān)系。

實驗采用的水的比熱容是4.2×103J·kg-1，裝水的容器體積V水=(6.4×7.6×13.0)cm3=632.32cm3、水的密度ρ水=1.0×103kg·m-3，第一次測試持續(xù)時間565.2s，第二次測試持續(xù)時間60.4s。通過給定時間內(nèi)的水溫度變化，就可以計算出水熱量變化ΔQ=cmΔT=cρVΔT。

通過第二次測試如圖6(b)，溫差T、輸出功率P與時間關(guān)系圖可以運(yùn)用積分算出在60.4s時間內(nèi)，發(fā)電裝置輸出的功為7.678J，水溫變化為2.5℃，水熱量變化為6.639×103J，因此可以計算出平均熱電轉(zhuǎn)化效率為：η=0.116%。

圖6 第二次測試溫差發(fā)電裝置產(chǎn)生的電壓與時間關(guān)系圖(a);第二次測試溫差T，輸出功率P與時間關(guān)系圖(b);

3 優(yōu)勢及其應(yīng)用前景

溫差發(fā)電有其得天獨(dú)厚的優(yōu)點：它是利用熱電材料將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，是一種全固態(tài)能量轉(zhuǎn)化方式。因而在發(fā)電的過程中無噪音，無磨損，無介質(zhì)泄露且體積小，重量輕，移動方便，使用壽命長，穩(wěn)定，環(huán)保等。整個溫差發(fā)電裝置如果直接用半導(dǎo)體溫差發(fā)電片焊接而成，讓發(fā)電片的熱端直接與廢熱或者余熱接觸，相對熱電轉(zhuǎn)換效率將更高。

溫差發(fā)電器能夠在特殊情況下提供應(yīng)急電源，例如在野外或無供電的情況下，利用人體與環(huán)境之間的溫差，或者收集太陽光的熱量，利用溫差發(fā)電技術(shù)可實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，提供應(yīng)急供電。通過溫差發(fā)電技術(shù)，充分利用工業(yè)和生活中的余熱和廢熱能源，變廢為寶，對提高能源的利用效率，促進(jìn)節(jié)能減排，具有十分重要的應(yīng)用價值。

[1] 趙凱華，陳熙謀. 電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1985：310-318.

[2] 薛增泉. 熱力學(xué)與統(tǒng)計物理[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，1995：91-103.

[3] 何元金，陳宏，陳默軒. 溫差發(fā)電——一種新型綠色的能源技術(shù)[J]. 工科物理，2000,(2):36-41.

[4] 馬建國，等.電子系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2006：35-92.

責(zé)任編輯 喻曉敏

Design and fabrication of thermoelectric generator based on Seebeck effect

CHEN Qian-yuan， MING Xing

(College of Mathematic and Physics，Huanggang Normal University, Huangzhou 438000, Hubei， China)

The semiconductor thermoelectric generator was designed based on the Seebeck effect of temperature difference. That calculated the heat changes, the output power and the average conversion efficiency of generator by the relationship between temperature T, the output power P and time t. Thermoelectric generator is a new energy technology, which can change all kinds of industrial waste heat and automobile waste heat into something useful to save energy and to improve the efficiency.

Seebeck effect; thermoelectric generator; new energy

2016-11-29 doi 10.3969/j.issn.1003-8078.2017.03.11

陳潛源，男，湖北黃岡人，2014級物理學(xué)專業(yè)本科生。

明星，男，湖北黃岡人，教授，博士，主要研究方向為功能材料物理。

黃岡師范學(xué)院2016年校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(35)。

TM913

A

1003-8078(2017)03-0054-04