基于溫差發(fā)電的發(fā)電裝置的設(shè)計與制作

汪琴，王鳳琳，楊郁鑫

（武漢科技大學(xué)城市學(xué)院，湖北 武漢 430083）

溫差發(fā)電技術(shù)是一項基于塞貝克效應(yīng)，在無需能量轉(zhuǎn)換介質(zhì)的情況下，直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，無消耗、無排放、綠色節(jié)能環(huán)保的技術(shù)。常用綠色發(fā)電技術(shù)主要是太陽能光伏發(fā)電，水力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電等，但這些發(fā)電方法對發(fā)電環(huán)境有較大的依賴性，且在能量轉(zhuǎn)換過程中能量損失較大，而溫差發(fā)電技術(shù)不受環(huán)境限制，也沒有能量轉(zhuǎn)換過程，是一項很有潛力的綠色發(fā)電技術(shù)，具有較大的科研和應(yīng)用價值[1,2]。

溫差發(fā)電技術(shù)對能源品位沒有要求，這對于我國大量的工業(yè)余熱的回收和利用，尤其是對于回收率極低的低溫余熱資源，應(yīng)用前景可觀[3,4]。本文從考慮將溫差發(fā)電技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)低品位余熱廢熱回收利用的角度出發(fā)，試圖設(shè)計并制作一套溫差發(fā)電裝置，實現(xiàn)將低溫差轉(zhuǎn)換為電能。

1 發(fā)電裝置的工作原理

塞貝克效應(yīng)是將兩種不同的金屬進行連線，并將連線的一結(jié)點置于高溫狀態(tài) T1（熱端），而另一端處于開路且處于低溫狀態(tài)T2（冷端），則在冷端導(dǎo)體的開路位置存在電位差，其值為：

其中，αAB為A和B兩種導(dǎo)體的相對塞貝克系數(shù)，通過試驗測得各種材料的seebeck系數(shù)，如表1：

表1 常見熱電材料的seebeck系數(shù)

2 發(fā)電裝置的設(shè)計

半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的由P、N兩種不同類型的溫差熱電材料經(jīng)電導(dǎo)率較高的導(dǎo)流片串聯(lián)后，將導(dǎo)流片固定于陶瓷片上形成。

2.1 冷端結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，1為鋁合金外殼，一方面使熱量傳導(dǎo)給熱端，同時加快冷端散熱。2為蓄電池，將電量儲存，以便靈活使用。3為穩(wěn)壓模塊，保證輸出電壓的穩(wěn)定。4為溫差發(fā)電模塊，由多片半導(dǎo)體發(fā)電片通過串并聯(lián)連接在一起，可以根據(jù)輸出電流電壓的需求或者發(fā)電裝置的形狀來調(diào)整發(fā)電片數(shù)量和串并聯(lián)方式。5為導(dǎo)熱硅脂，使發(fā)電片的冷、熱端很好的與外殼連接，提高熱傳導(dǎo)效率。6為輸出接口，標(biāo)準(zhǔn)化的輸出接口有利于儲存電能的靈活使用[5]。

圖1 冷端結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.2 熱端結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2所示為溫差發(fā)電裝置熱端，其結(jié)構(gòu)與冷端基本一致，唯一區(qū)別為7，7是一層隔熱材料，該材料能保證熱端傳遞而來的熱量不會影響蓄電池、穩(wěn)壓及輸出模塊的正常工作。

圖2 熱端結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

通過試驗，選擇性價比較高的Bi2Te2作為溫差發(fā)電裝置的熱電材料，串聯(lián)雙片溫差發(fā)電片后經(jīng)過封裝得到簡易的發(fā)電裝置，在熱端溫度為115℃，冷端溫度為51.9℃的條件下，得到輸出電壓為3.01V，電流為0.07A。

3 發(fā)電裝置的性能試驗

為了后續(xù)將裝置應(yīng)用到工業(yè)低品位余熱廢熱回收利用中[6,7]，分別從不獨立控制冷熱端溫度和獨立控制冷熱端溫度兩個角度出發(fā)，試驗研究該裝置的應(yīng)用性能。

（1）在不控制冷端溫度的條件下，直接對熱端進行加熱，用電子測溫儀測量出冷熱面的溫差，并測量出不同溫差下的輸出電壓如表2所示：

表2 溫差發(fā)電性能測試試驗的輸出電壓情況

可以看出，輸出電壓隨溫差的增大而增大，當(dāng)溫差達(dá)到最大時，輸出電壓也會達(dá)到最大值，而溫差越大，電壓隨溫差增加的趨勢更加明顯。

（2）在獨立控制冷熱兩端溫度的條件下進行試驗，將熱端溫度控制到一個數(shù)值，改變冷端溫度以產(chǎn)生溫差，并測量出輸出電壓如表3所示：

表3 變負(fù)載條件下輸出電壓情況

圖3 改變冷端溫度條件輸出電壓圖

圖3為與表3對應(yīng)的折線圖，通過上圖6可以看出，在熱端溫度相同的條件下，冷端溫度的升高將會使發(fā)電電壓的減小，而在溫差相同的情況下，冷端溫度越低，輸出電壓越高。這是因為冷端溫度升高會使得溫差發(fā)電片內(nèi)阻增大，從而電壓減小。

所以，在實際使用過程中，適當(dāng)?shù)奶岣呃錈岫说臏夭睿M量降低冷端溫度，可以獲得更好的溫差發(fā)電效率。

4 結(jié)論

本文基于塞貝克效應(yīng)，選擇性價比較高的Bi2Te2作為熱電材料，應(yīng)用溫差發(fā)電技術(shù)制作了簡易的溫差發(fā)電裝置，通過試驗，發(fā)現(xiàn)控制冷端溫度能提高發(fā)電效率，這對下一步將裝置進行串并聯(lián)改進，并應(yīng)用到工業(yè)低品位余熱廢熱回收利用有著較大的研究價值。

[1] 趙建云,朱東生,周澤廣等.溫差發(fā)電技術(shù)的研究進展及現(xiàn)狀[J]. 電源技術(shù),2013,134(3): 310-313.

[2] 嚴(yán)李強,程江,劉茂元.淺談溫差發(fā)電[J]. 太陽能,2015, (1): 11-15.

[3] 張鵬,曾狄根,黃學(xué)章.半導(dǎo)體溫差發(fā)電在工業(yè)余熱利用中的可行性分析[J].廣西輕工業(yè),2009, (12): 27-32.

[4] 陳林根,孟凡凱,孫豐瑞等.熱電發(fā)電技術(shù)回收鋼鐵工業(yè)余熱節(jié)能潛力分析[J].鋼鐵研究, 2013, 41(6): 41-43.

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[6] 馮平,溫亞東,石俊等.淺談溫差發(fā)電的模擬實驗及應(yīng)用前景[J].機電信息,2013, (21): 36-37.

[7] 李應(yīng)林,黃虎.溫差熱發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用[J].南京師范大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版）, 2011, 11(3): 23-27.