新型半导体温差发电系统的研究.pdf

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9科技咨询导报ScienceandTechnologyConsultingHerald高新技术2007NO.26ScienceandTechnologyConsultingHerald科技咨询导报1引言1823年,德国人ThomasSeebeck首次发现在两种不同金属构成的回路中,如果两个接头处的温度不同,其周围就会出现磁场。

进一步实验之后,发现了回路中有电动势存在,这种现象后来被称为Seebeck效应或温差电效应。

温差发电技术研究始于20世纪40年代,于20世纪60年代达到高峰,并成功地在航天器上实现了长时间发电。

当时美国能源部的空间与防御动力系统办公室给出鉴定称,温差发电已被证明为性能可靠、维修少、可在极端恶劣环境下长时间工作的动力技术。

温差发电技术利用热-电转换材料直接将热能转化为电能,是一种全固态能量转换方式,无需化学反应或流体介质,因而在发电过程中具有无噪音、无磨损、无介质泄漏、体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长等优点,在军用电池、远程空间探测器、远距离通讯与导航、微电子等特殊应用领域具有无可替代的地位。

它甚至能利用人的体热和周围的环境温度,为各种便携式设备供电。

在21世纪全球环境和能源条件恶化、燃料电池又难以进入实际应用的情况下,温差发电技术更成为引人注目的研究方向1。

此外,体积小、重量轻、无振动、无噪音的优点还使半导体温差发电机非常适合用作为小于5W的小功率电源,用于各种无人监视的传感器、微小短程通讯装置以及医学和生理学研究仪器-目前,相关产品已进入实用阶段。

近几年来,温差发电机不仅在军事和高科技方面,而且在工业和民用方面也表现出了良好的应用前景。

由于原料费用几近为零、加上运行成本的低廉,温差发电完全可以实现与现存发电方式的商业竞争。

看到这一前景,日本、美国近几年来开展了一系列低品位热和废热、余热等资源的利用项目:

比如说利用热源遍及化工厂、钢铁工业、水泥工业、造纸业、石油冶炼业等行业产生的工业余热,利用富含有机可燃物、“资源效益”极为可观的垃圾焚烧热,利用在汽车尾气、冷却水、润滑油和热辐射中散失的汽车余热,利用太阳的辐射热、海洋的温差热、地热等自然热,以及利用其它分散热源例如沐浴剩余水的余热、家用取暖炉的散热等等都可以作为热源利用温差进行发电,真正做到了“变废为宝”。

我国从70年代开始研制半导体制冷器件,80年代末进入应用产品地研制。

90年代开发出具有广泛实用价值的民用便携式冷热箱以及半导体去湿产品。

目前我国半导体制冷组件的主要性能指标已接近国外90年代先进水平,因此在国际市场上有很高声誉。

国内大部分产品主要是出口国外,按照国外用户的质量要求组织生产,单片组件的热电参数比较稳定,最大温差已达到70。

国内对半导体制冷现象和应用研究具有一定水平,目前已有商品器件和设备出售,但对温差发电,则几乎是一片空白。

这主要是因为我国在军事高技术研究能力方面相对落后,未能刺激起足够的需求。

随着国际学术交流的广泛开展,国内不少学者到国外接触了相关技术,相信我国在这一领域相对落后的面貌将逐渐改观2。

2半导体温差发电系统的原理与模型热电效应是电能与热能之间的转换,它是通过热电转换材料得以实现的。

而检定热电转换材料的标志,就在于它的三个基本效应,即:

Seebeck效应、Peliter效应和Thomson效应。

Seebeck效应是一种温差电效应,它是指在材料的两端外加一定的温度差时,相应材料的两端就会有产生一定的电动势。

Peltier效应是Seebeck效应的逆效应,是指在材料中通以一定方向的电流时,相应在材料的两端分别会产生吸放热现象,改变电流方向,吸热和放热端也随之反向。

热电现象本身是可逆的,半导体温差发电和半导体致冷是热电现象的两个方面,互相可逆。

对于同一个PN结,若施加温差则可用来发电,若对其通电,则可用于在一端致冷。

Thomson效应则是指若电流流过有温度梯度的导体时,在导体和周围环境之间将会进行能量交换。

综上可以看出,Seebeck效应恰恰就是半导体温差发电技术的基本原理。

2.1塞贝克效应赛贝克效应就是在导体两端存在温差时,热端电子的能量和速度高于冷端电子的能量和速度,在N型半导体中,除了电子的能量及速度差外,热端的电子浓度还高于冷端的电子浓度,其结果就引起热端电子向冷端扩散,冷端积累负电荷,而热端就剩下未被补偿的正电荷,建立了由热端指向冷端的电场,这个电场阻止电子流继续由热端向冷端扩散,当扩散与电场的作用相等时,就达到了统计动平衡,这时就在导体或半导体两端形成电势差。

如图1所示,将两种半导体的一端结合在一起（相当于热电偶）并使之处于高温状态（热端T2）,而另一端开路且处于低温状态（冷端T1）,则在冷端（T1）上存在开路电压V,这个效应就是塞贝克（Seebeck）效应。

塞贝克电压V与热冷两端的温度差T成正比,即3:

（1）这里,a为塞贝克系数,其单位为V/K或V/K从应用上讲,决定一种半导体热电材料的优劣不能仅凭其塞贝克系数的大小,还必须综合考虑其电导率、热导率等诸多因素。

目前常用的一个参数是材料的优值系数ZT,其表达式为:

（2）这里,a为塞贝克系数,是电导率,K是热导率。

2.2常见材料的塞贝克系数热电转换材料是半导体温差发电的基础,目前,典型的热电材料主要有:

Bi-Sb-Te系、SiGe系和PbTe系合金三种。

表1中就是几种常见材料的塞贝克系数。

2.3半导体温差发电器件的设计模型将P型半导体和N型半导体在热端连接,则在冷端可得到一个电压,一个PN连结所能产生的电动势有限,将很多个这样的PN连结串联起来就可得到足够的电压,成为一个温差发电机。

这样的温差发电机完全没有转动部新型半导体温差发电系统的研究程志翔（安徽铜陵发电厂生产技术部244012）摘要:

温差发电可将热能直接转化为电能,即使在只有微小温差存在的情况下也能应用,是适用范围很广的绿色环保型能源。

本文研究了半导体温差发电器的基本原理,介绍了一种新型的半导体温差发电模块,对其性能进行了研究,并在此基础上构建了一套小型发电系统。

分析了发电模块的不同串并组合矩阵的输出功率,设计了为蓄电池充电的稳压充电电路,并使设计的模块矩阵与蓄电池稳压充电电路匹配,使其输出功率达到最大。

关键词:

温差发电温差电材料绿色能源中图分类号:

O472文献标识码:

A文章编号:

1673-0534（2007）09（b）-0009-02图1赛贝克效应10科技咨询导报ScienceandTechnologyConsultingHerald2007NO.26ScienceandTechnologyConsultingHerald高新技术科技咨询导报分,因此非常可靠。

根据前面

（1）所给出的理论公式,如果材料的温差电性能参数,几何尺寸,热源等性能特征确定,就可以估算出温差器的发电效率,输出功率等发电性能。

然而前面所给出的理论和公式都是基于一个简单的理想模型,从而忽略了接触影响等因素,所以在实际应用中会存在很多与理论计算不符的情况4。

图2所示为半导体温差发电堆的实际结构图。

理想模型的性能参数计算忽略了器件接触电阻和接触热阻的影响。

因此,采用这个理论模型对温差发电器性能进行计算和设计的前提,就是要求发电器温差电偶的面长比比较小,以保证温差电偶的热阻远大于接触热阻,才能使接触效应忽略不计。

然而,在一些应用条件下,如低温余热温差发电等,需要面积比较大的温差电偶元件,以获得较大的输出功率。

在这种情况下,接触影响就不能忽略了。

3半导体温差发电系统在利用风力发电、光能发电、风光互补发电等可再生能源发电系统中,储能用蓄电池是系统必要的组成部分,同样,半导体温差发电也是一种可再生能源,所以在它的发电系统组成中,蓄电池自然也是一个必不可少的部分,本文采用了一种12V/7A的蓄电池储能装置。

3.1半导体温差发电模块串并矩阵我们采用一种新型的半导体温差发电模块来构成半导体温差发电模块串并矩阵5,其外形尺寸为35mm35mm5mm,共有126对PN结,具有一定的耐高温特性（热端稳定工作温度可达250,最高短时冲击温度380）,热电转化效率为4.7。

经过实验测得该半导体温差发电模块开路电压与温差之间的关系见图3。

由图可见如温差变化改变1,则相应的产生约0.03V的开路电压。

对于一个直流电源,为使电源能输出功率最大,要求负载阻抗与电源等效内阻匹配,如果电源与负载不匹配,电源利用率就降低。

因此为提高半导体温差发电系统的效率,外接负载也要尽量与发电模块组成的矩阵的等效内阻匹配。

根据实验,测量得到稳压电路与充电电路给蓄电池充电时其等效输入内阻为412。

单片半导体温差发电模块的等效内阻约为78,因而我们采用三组型的半导体温差发电模块并联矩阵,其等效内阻在110的温差下约为713,这样整个装置给蓄电池充电的功率基本上与半导体温差发电模块矩阵匹配,约为4W。

3.2稳压电路由于要给蓄电池充电,半导体温差发电模块串并矩阵的输出电压应该高于蓄电池的电压,而温差发电模块的匹配输出电压为5V左右,且根据塞贝克效应可知,半导体温差发电模块两端产生的电压不是很稳定,因而需要一个升压稳压电路来改善这种情况。

因此选用了LM2577-15稳压芯片,这种芯片输入电压范围为412V,而输出电压为稳定的15V。

3.3蓄电池充电保护电路蓄电池的寿命与日常是否正确地对蓄电池进行充、放电有着密切关系,因此存在着许多由于充电不合理,而使蓄电池过早报废的现象。

对蓄电池的充电,可分为恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电、均衡充电等方式6。

如果蓄电池采用恒压充电方法进行充电,则在充电开始充电电流很大,会引起高温,且恒压充电不能调整充电电流的大小,不能用于蓄电池的初期充电。

恒流充电则容易引起过充电,过充电由于剧烈的放出气泡,会在极板内部造成压力,加剧活性物质的脱落,使极板过早损坏,不宜于蓄电池后期充电。

为了充分地保护蓄电池,也为了使半导体温差发电系统能够更好地工作,采用二阶段恒流限压的方式对蓄电池进行充电。

该电路既能实现恒流充电,同时又可对蓄电池给予充分的保护。

二阶段恒流限压式蓄电池充电保护电路,在半导体温差发电系统中会存在几种不同的运行状态:

维护充电、快速充电和限压浮充。

此外,本文还设有反极性保护电路,使得利用温差生成的电能对蓄电池的充电更为安全。

根据上面的设计,采用锅炉作为半导体温差发电模块的热源,使热端温度在150160,冷端在3545,半导体温差发电系统采用三组型的并联矩阵,得到输出开路电压为11.3V,匹配的输出电压为5.2V左右,输出电流约为0.6A。

输出电压经稳压电路,稳定输出15V电压,再经过二阶段恒流限压式蓄电池充电保护电路后,将电能储存在12V/7A的蓄电池中。

4结语本文研究了半导体温差发电的原理和应用,设计了一种新型的半导体温差发电系统,经实验验证,性能达到了设计要求。

半导体温差发电器作为一个直流电源,为使电源输出的功率最大,要求负载阻抗与电源等效内阻相匹配,如果电源与负载不匹配,电源利用率就会降低。

因此为提高半导体温差发电系统的效率,外接负载也要尽量与半导体温差发电模块组成的矩阵的等效内阻匹配;通过理论建立的模型,在实际应用中往往还存在很多需要重新考虑的诸多因素和条件,如环境温度、湿度,接触电阻等等,本系统中温差发电器件的设计关键就是考虑了温度对接触热阻和接触电阻的影响。

半导体温差发电系统模型,受热电材料、各种器件连接条件和制造工艺的制约,效率较低;而且热电偶温度采集可能存在误差,使计算中的数值不够准确,但总的来说,系统可满足简单应用的需求,对半导体温差发电系统的深入设计具有一定的指导意义。

半导体温差发电系统尽管由于种种因素的制约,目前还只能大量应用于军事、航空等高新科技,不能够大范围推广,但随着我们对制造工艺和热电材料等方面更加深入的研究,以及半导体温差发电技术优点的进一步体现,使半导体温差发电产品早日进入我们的生活,这一切相信在不久的将来就会得到实现。

参考文献1栾伟玲,徐善东.温差电技术的研究进展.科学通报,2004,49（11）:

26.2陈允成,吕迎阳,林玉兰,陈忠.一种半导体温差发电系统J.仪器仪表学报,2005,26（8）:

15-18.3贾磊,陈则韶.半导体温差发电器件的热力学分析.中国科学技术大学学报,2004,34（6）:

10.4苏景芳.半导体制冷及温差发电器件的计算机辅助设计.华中科技大学学报,2004:

12-13.图2半导体温差发电堆实际结构图图3温差发电模块开路电压与温差之间的关系