關于聯(lián)結方式對溫差發(fā)電組件理論輸出特性的影響分析

楊德龍 陳穎 李梅

摘 要 為探究多級半導體溫差發(fā)電片的聯(lián)結方式對發(fā)電器輸出性能的影響，本文以Bi2Te3溫差發(fā)電片為對象，通過理論計算2級、4級、6級溫差發(fā)電片不同聯(lián)結方式下輸出電壓、輸出電流及輸出功率隨溫差的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：溫差越大，發(fā)電器的輸出參數(shù)值越大;發(fā)電片數(shù)量相同時，單行串聯(lián)級數(shù)越多，輸出參數(shù)值越大;單行串聯(lián)級數(shù)相同時，并聯(lián)行數(shù)越多，輸出參數(shù)值越大;并聯(lián)行數(shù)相同時，單行串聯(lián)級數(shù)越多，輸出參數(shù)值越大。

關鍵詞 聯(lián)結方式;溫差發(fā)電;塞貝克效應;輸出性能

Abstract In order to investigate the influence of the connection method on the thermoelectric generator. This article takes Bi2Te3 as the research object， and calculated the output voltage， output current and output power of the two-level， four-level， and six-level thermoelectric generators under different connection methods， which Changes in temperature differences.The calculation found that： the greater the temperature difference， the larger the output parameter value of the generator; When the number of generators is the same， The more series in each line， the larger the output parameter value; When the series of single-line is the same， the more parallel lines， the larger the parameter value; When the number of parallel lines is the same， the more serial lines in a single-line， the larger the output parameter value.

Keywords Connection Method; Thermoelectric Generation; Seebeck Effect; Output Powe

引言

塞貝克效應（Seebeck Effect）是指在兩種不同金屬材料A、B構成的閉合回路中（如圖1所示），如果連接點a、b處存在溫度差ΔT時，回路中存在塞貝克電動勢Uab，外接負載中將會產(chǎn)生電流[1]。

基于塞貝克效應，半導體溫差發(fā)電模塊利用余熱進行發(fā)電得到廣泛應用[2-3]。Hasebe M等[4]以高溫天氣下的公路面為熱源，通過在路面下鋪設熱管獲得高溫熱源并以附近河流水為冷源驅(qū)動19組溫差發(fā)電組件工作，輸出功率達到3.6W，有效利用了瀝青公路的低品位熱量。李應林等[5]以工業(yè)廢熱為第一級熱源，輔助太陽能集熱器為第二級熱源，工質(zhì)蒸發(fā)側(cè)流動溫度為60 ℃、冷凝側(cè)相變溫度為27 ℃時，裝置發(fā)電效率達到7.15 %。張明等[6]通過在真空管中加入熱電模塊，以套管中的冷水為冷源為發(fā)電模塊冷端進行散熱，在ZT值為0.59時裝置日產(chǎn)電量高達2.19 kWh，同時將300 L水加熱到55 ℃。

半導體溫差發(fā)電器的發(fā)電效率受限于發(fā)電片材料本身的熱電性能，增大冷熱端溫差能夠有效增大發(fā)電器的輸出功率[7]。每一級溫差發(fā)電片在電路中相當于一個電源，理想狀態(tài)下，當發(fā)電片兩端的溫差相同時，其輸出電壓也相同，多級聯(lián)結時不會損壞發(fā)電片的內(nèi)部器件。單級發(fā)電片內(nèi)阻不變時，多級溫差發(fā)電片之間的串聯(lián)或并聯(lián)方式影響發(fā)電器的輸出電流及輸出電壓[8-9]。本文通過理論計算分析多級半導體溫差發(fā)電片的不同聯(lián)結方式在不同溫差條件下的輸出性能。

1研究對象及計算參數(shù)

圖2是半導體溫差發(fā)電器件示意圖，它通過電導率較高的導流金屬片將P型及N型兩種半導體材料串聯(lián)成為閉合回路并固定在兩端的陶瓷片上，陶瓷片的導熱系數(shù)較小。當在陶瓷片兩端存在溫差時，根據(jù)塞貝克效應回路中將產(chǎn)生塞貝克電動勢，有負載接入時閉合回路中將產(chǎn)生電流，相當于一個熱發(fā)電器[10]。通過連接多個這樣的器件便可獲得較大的電壓。

P型半導體的導電機構是電子空穴，受熱端的電子空穴濃度高于冷端，當有溫差存在時熱端空穴逐漸向冷端移動，進而多于半導體內(nèi)部自由電子并帶上正電形成電場，產(chǎn)生的電動勢阻止空穴向冷端擴散;N型半導體的導電機構是自由電子，與空穴電荷相等但符號相反，即產(chǎn)生的電動勢與P型半導體產(chǎn)生的電動勢相反[11]。

本文以Bi2Te3溫差發(fā)電片（型號：TEC1-12708）為研究對象，材料塞貝克系數(shù)約為-170μV/K，尺寸為40mm×40mm×3.5mm，內(nèi)阻約2.1Ω，粒子對數(shù)為127對，電優(yōu)值系數(shù)值取1.5，假定負載R阻值不變恒為5 Ω。

2結果與分析

本文分別對2級、4級、6級溫差發(fā)電片的不同聯(lián)結方式在不同溫差下工作的輸出特性，記[1-2]表示1塊溫差發(fā)電器并聯(lián)成2行，同理[3-2]表示3級溫差發(fā)電器串聯(lián)后再并聯(lián)成2行，以下為分析結果。

圖3為不同聯(lián)結方式下2級、4級、6級溫差發(fā)電器輸出電壓與溫差的關系，可以看出，理論輸出電壓與溫差成正比，溫差越大，輸出電壓越大。相同溫差下，2級溫差發(fā)電器[2-1]輸出電壓大于[1-2]輸出電壓;4級溫差發(fā)電器[4-1]輸出電壓最大，[2-2]的輸出電壓次之，[1-4]輸出電壓最小;6級溫差發(fā)電器[3-2]輸出電壓大于[2-3]的輸出電壓。

圖4為不同聯(lián)結方式下2級、4級、6級溫差發(fā)電器輸出電流與溫差的關系，同樣，輸出電流與溫差成正比關系。在相同溫差下，2級溫差發(fā)電器[2-1]輸出電流大于[1-2]輸出電流;4級溫差發(fā)電器[4-1]輸出電流最大，[2-2]的輸出電流次之，[1-4]輸出電流最小;6級溫差發(fā)電器[3-2]輸出電流壓大于[2-3]的輸出電流。

圖5為不同聯(lián)結方式下2級、4級、6級溫差發(fā)電器輸出功率與溫差的關系，相同發(fā)電器級數(shù)下，因輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積，在大小關系上與輸出電壓及輸出電流相同。

以上數(shù)據(jù)中，[2-3]、[2-2]、[2-1]在相同溫差下的輸出電壓、輸出電流及輸出電壓值均逐漸減小，即單行串聯(lián)級數(shù)相同時，并聯(lián)行數(shù)越少，輸出參數(shù)值越小;[3-2]、[2-2]、[1-2]在相同溫差下的輸出電壓、輸出電流及輸出電壓值均逐漸減小，即并聯(lián)行數(shù)相同時，單行串聯(lián)級數(shù)越少，輸出參數(shù)值越小。

單級溫差發(fā)電片的輸出電壓相同時，串并聯(lián)方式會影響發(fā)電器整體的總內(nèi)阻及總輸出電壓值，從而造成相同級數(shù)下輸出功率的差異，在實際應用過程中可盡量采用串聯(lián)級數(shù)較大的多行并聯(lián)方式來實現(xiàn)最大的效率輸出。

3結束語

綜合以上結果，得出以下結論：

（1）相同聯(lián)結方式下，溫差發(fā)電器的輸出電壓、輸出電流、輸出功率均隨溫差的增大而增大。

（2）相同溫差發(fā)電器總級數(shù)，串聯(lián)級數(shù)越多，輸出電壓、輸出電流及輸出功率越大。

（3）不同溫差發(fā)電器總級數(shù)，發(fā)電器單行串聯(lián)級數(shù)相同時，并聯(lián)行數(shù)越多，輸出電壓、輸出電流及輸出功率越大;發(fā)電器并聯(lián)行數(shù)相同時，單行串聯(lián)級數(shù)越多，則輸出電壓、輸出電流及輸出功率越大。

參考文獻

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作者簡介

楊德龍（1995-），男，云南大理人;畢業(yè)院校：云南師范大學太陽能研究所，專業(yè)：農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程，學歷：碩士研究生，職稱：教師，現(xiàn)就職單位：滇西應用技術大學普洱茶學院，研究方向：資源循環(huán)與利用。