半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的研究

呂 霄，陳家偉，劉 聰，倪修正，殷傳明

（西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 611756）

0 引 言

能源是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的重要支撐，是人類社會(huì)生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。人們對(duì)能源需求的不斷增加，煤、石油與天然氣等傳統(tǒng)能源資源日益減少。傳統(tǒng)能源對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞，因此加強(qiáng)對(duì)新能源的開發(fā)利用成為當(dāng)前社會(huì)的熱點(diǎn)[1]。半導(dǎo)體溫差發(fā)電能夠直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，不僅能有效利用自然界中的地?zé)崮?、海洋熱能以及太?yáng)能等非污染能源，還可回收工業(yè)及生活中產(chǎn)生的大量余熱廢熱，提高能源利用率[2]。因此，研究溫差發(fā)電技術(shù)是一個(gè)重要的課題。目前，溫差發(fā)電測(cè)試系統(tǒng)大多是對(duì)單片在不同溫差和不同熱源的情況下進(jìn)行研究，如利用熱空氣測(cè)試單片發(fā)電的影響因素[3]、測(cè)試單片在不同溫差的特性曲線[4]等，但都未考慮發(fā)電片片數(shù)對(duì)輸出的影響。本文測(cè)試了單片、雙片和三片在不同溫差情況下的輸出特性，既考慮到溫差對(duì)發(fā)電的影響，又加入了發(fā)電片片數(shù)的影響因素，以更好地了解溫差發(fā)電的特性，便于以后對(duì)溫差發(fā)電的應(yīng)用與分析。

1 溫差發(fā)電原理

溫差發(fā)電利用賽貝克效應(yīng)。產(chǎn)生賽貝克效應(yīng)的重要原因是熱端載流子向冷端擴(kuò)散的結(jié)果。P型半導(dǎo)體的載流子為帶正電的空穴，空穴從高溫端向低溫端擴(kuò)散后，形成了低溫端為正的溫差電動(dòng)勢(shì)；而N型半導(dǎo)體的載流子為電子，形成了低溫端為負(fù)的溫差電動(dòng)勢(shì)。如果將P型和N型半導(dǎo)體的一端連接起來并置于熱端，而讓另一端位于低溫端，則兩半導(dǎo)體的低溫端間將有一個(gè)較大的開路電壓。圖1為賽貝克效應(yīng)示意圖。

圖1 賽貝克效應(yīng)示意圖

兩導(dǎo)體間電勢(shì)E=∝Δ T，式中Δ T為熱電片兩端的溫差，∝為賽貝克系數(shù)。賽貝克系數(shù)與材料的本身性質(zhì)有關(guān)，所以目前制約溫差發(fā)電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)是新型材料的發(fā)展。目前，市面上主要的半導(dǎo)體溫差發(fā)電片中半導(dǎo)體采用碲化鉍，并將127對(duì)半導(dǎo)體串聯(lián)或并聯(lián)來達(dá)到較大的輸出功率。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括熱端恒溫?zé)崴┙o模塊、水冷模塊、發(fā)電模塊以及檢測(cè)模塊。熱端的熱量由恒溫?zé)崴峁?，熱水存?chǔ)在保溫桶中，由水管引出后進(jìn)入貼在溫差發(fā)電片上的紫銅水冷片中。為保證熱端的溫度恒定，持續(xù)通入熱水，能夠確保在實(shí)驗(yàn)的短暫時(shí)間溫度波動(dòng)很小。同時(shí)，冷端貼的紫銅水冷片中有持續(xù)冷水通入，通過控制水流的大小控制冷端的溫度。發(fā)電模塊由半導(dǎo)體溫差發(fā)電片構(gòu)成。經(jīng)查閱文獻(xiàn)，多片時(shí)各發(fā)電片疊加時(shí)采用發(fā)電片的電路串聯(lián)[5]。半導(dǎo)體溫差發(fā)電片采用碲化鉍材料，PN結(jié)數(shù)127個(gè)，型號(hào)為SP1848—27145 SA。檢測(cè)模塊包括熱電偶和萬(wàn)用表，各部位的連接由具有良好導(dǎo)熱性的導(dǎo)熱硅脂粘連。圖2為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為探究疊加片數(shù)對(duì)溫差發(fā)電片發(fā)電的影響，共搭建了3個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中發(fā)電片片數(shù)分別為單片、雙片和三片，且多片疊加后電路采用串聯(lián)方式。同時(shí)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各自測(cè)量在不同溫差下的電壓、電流等參數(shù)，每次測(cè)量4組數(shù)據(jù)，結(jié)果取4組數(shù)據(jù)的平均值，得到電壓與溫差、片數(shù)的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

圖3 各片開路電壓與溫差的關(guān)系

可以看出，隨著溫差的升高，三片的開路電壓隨之增大，電壓和溫差之間呈線性關(guān)系，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合后，各實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開路電壓與溫差的關(guān)系如下：（1）單片E1=0.037 ΔT；（2）雙片E2=0.041 ΔT；（3）三片E3=0.045 ΔT。

圖4為不同溫差下電壓與片數(shù)的關(guān)系。

可以看出，發(fā)電片片數(shù)的增多可以增大所產(chǎn)生的總電動(dòng)勢(shì)，但是在溫差較低時(shí)增大并不明顯。當(dāng)溫差較大時(shí)，可以看得到多片發(fā)電片疊加相比于單片發(fā)電片產(chǎn)生的電壓有顯著提升。所以，在溫差較低的情況下，多片發(fā)電片疊加對(duì)電壓的提高作用很小，應(yīng)采用單片發(fā)電片控制成本；當(dāng)溫差較高時(shí)，可以采用多片發(fā)電片疊加的方法提高電壓。

由于多片間采用串聯(lián)的方式，所以多片輸出的電壓為各發(fā)電片電壓的和值，因?yàn)槊科馁愗惪讼禂?shù)相同，所以多片對(duì)電壓的提高其實(shí)提高了對(duì)熱的吸收率。但是，發(fā)電片片數(shù)增加的同時(shí)提高了成本。

圖4 在不同溫差下電壓與片數(shù)的關(guān)系

由于半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的內(nèi)阻與溫度有關(guān)，因此通過測(cè)量短路電流與開路電壓能夠計(jì)算出內(nèi)阻r的大小，結(jié)果如圖5所示。

圖5 各片內(nèi)阻與溫差的關(guān)系

由圖5可知，發(fā)電片的內(nèi)阻與溫差沒有明顯關(guān)系，但隨著發(fā)電片串聯(lián)數(shù)的增加，內(nèi)阻大幅增加。當(dāng)發(fā)電片作為電源接入負(fù)載時(shí)，由功率可知，當(dāng)外阻等于內(nèi)阻時(shí)有最大功率。實(shí)驗(yàn)中，在負(fù)載端串接阻值為5 Ω的電阻，得到各實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的輸出功率，結(jié)果如圖6所示。

圖6 負(fù)載為5 Ω時(shí)功率與溫差的關(guān)系

可以看出，功率隨溫差的升高而增加，但隨著片數(shù)的增加功率反而下降。經(jīng)分析，由于多片串聯(lián)后內(nèi)阻增加較大，雖然輸出電壓增加，但電流大幅減小，造成吸收的熱功率大部分消耗在內(nèi)阻上，降低了輸出功率，熱轉(zhuǎn)化效率變低且增加了成本。

4 提高發(fā)電片輸出的方案

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出，發(fā)電片產(chǎn)生的電壓與溫差呈線性關(guān)系，提高溫差是提升輸出的最有效方法。結(jié)合電壓與片數(shù)的關(guān)系以及內(nèi)阻與片數(shù)的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，在溫差較低時(shí)，采用單片較為經(jīng)濟(jì)且內(nèi)阻低，能提高熱電轉(zhuǎn)化率，但熱轉(zhuǎn)化率低，導(dǎo)致大量的熱量流失；在溫差較大時(shí)，可以采用多片疊加以提高電壓和熱轉(zhuǎn)化率，但由于串聯(lián)的片數(shù)增加而內(nèi)阻增大，雖然提高了帶負(fù)載能力，但熱電轉(zhuǎn)化率降低，大量能量消耗在內(nèi)阻上；可以采用并聯(lián)多組以減小內(nèi)阻而增大輸出功率，但成本會(huì)隨之提高。

5 結(jié) 論

搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，通過利用恒溫?zé)崴鳛闊嵩矗涠瞬捎盟浞绞竭M(jìn)行散熱，以形成溫差，并通過改變熱水溫度來改變溫差。研究表明，半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的輸出電壓與溫差呈線性關(guān)系，內(nèi)阻與溫差無(wú)關(guān)；隨著串聯(lián)片數(shù)的增加，輸出電壓和內(nèi)阻隨之增加。加入負(fù)載后，輸出功率在內(nèi)外阻值相等時(shí)達(dá)到最大，同時(shí)功率隨溫差的升高而增大，但隨著串聯(lián)片數(shù)的增加功率較小。串聯(lián)片數(shù)的增加使內(nèi)阻增加，雖然輸出的電壓變大，但多吸收的熱量遠(yuǎn)小于消耗在內(nèi)阻上的熱量，使熱轉(zhuǎn)化率變低且成本增加較多，單片熱利用率較低。經(jīng)過對(duì)比，在溫差較低時(shí)，使用單片更好；在溫差較高時(shí)，應(yīng)使用多片疊加，以減小能源的損失。通過本次對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的特性研究，為后面溫差發(fā)電器的制作提供了理論基礎(chǔ)，對(duì)發(fā)電片模型的搭建有參考價(jià)值。