新型半導體溫差發電技術在實驗室中的實現

王偉 李港 徐琳珊 李晶晶 李興 王湘江

溫差半導體發電技術的原理主要來源于塞貝克（Seebeck）效應，將P型和N型兩種不同類型的熱電材料（P型是富空穴材料，N型是富電子材料）一端相連形成一個PN結，置于高溫狀態，另一端形成低溫，則由于熱激發作用，P（N）型材料高溫端空穴（電子）濃度高于低溫端，因此在這種濃度梯度的驅動下，空穴和電子就開始向低溫端擴散，從而形成電動勢，這樣熱電材料就通過高低溫端間的溫差完成了將高溫端輸入的熱能直接轉化成電能的過程。單獨的一個PN結可形成的電動勢很小，而如果將很多這樣的PN結串聯起來，就可以得到足夠高的電壓，成為一個溫差發電器。

我們選取熱電轉換效率較高的材料，進行實驗，具體實驗如下所述。

一、實驗的物理模型

每種熱電材料在一定的溫度變化范圍內具有較高的熱電轉換效率，我們在選擇實驗材料的時候首先考慮了材料的優值系數，最終我們選用Bi2Te3，因為在中低溫區域，它的優值系數的平均值高且穩定。

實驗模型由1對碲化鉍基p-n熱電元件、銅制導電片（即電極）和導熱基底組成溫差發電模塊物理模型，結構如圖1所示，更高的輸出功率可由這樣的單元串聯得到。p型和n型熱電元件均采用長寬高分別為0.7mm、0.7mm、1.2mm的立方體，2種熱電元件由銅制導電片（.4mm）串聯聯結，兩原件間隔1mm，上、下陶瓷導熱基底（1mm）起絕緣及導熱作用，熱源和熱沉的溫度分別為tn=100℃（沸水加熱）和tc=0℃（冰水混合物水冷系統）。

二、實驗測試

為驗證物理模型，本文建立了簡易的實驗測試裝置。該裝置包含比例積分微分（PID）熱電器件、電加熱板、可調負載電阻、循環水冷卻單元（包括儲水箱、循環泵、熱沉（水冷頭））、熱電偶和測溫儀表、電壓計和電流計、導電線路等，其基本結構如圖2所示，熱電器件采用商用TEHP1-12635-1.2 型，通過調節冷卻水的流量實現冷端溫度的控制。設置數值計算中單元模塊幾何構型與商用器件的相同，單元模塊輸出功率的計算結果乘以商用器件中的單元數量（126 對）即為實際輸出功率。

圖3所示為冷、熱端溫度分別約為tC=0 ℃和tH=100 ℃，同時為使裝置能夠輸出一個穩定的功率，我們施加擾動電壓U；若功率減小，說明擾動電壓的方向相反，需調整擾動電壓的施加方向和大小。依據此方法反復施加擾動電壓并對其進行調整，最終使發電裝置的輸出功率處于一個動態的平衡。

匹配負載電阻的理論阻值為2.35 Ω，實驗測試結果為2.82 Ω，導致理論的輸出功率大于實驗測試結果，其中的因素有以下幾點：

（1）物理模型中電阻存在隨溫度變化阻值改變的影響，導致理論結果偏高。

（2）實驗中熱電器件的固定采取導熱膠粘結的方式，熱阻較大，且難以保證溫度分布均勻，熱電器件兩端的實際溫差要小于熱電偶直接測得的溫差。

三、實驗結果分析

在對新型半導體溫差發電的物理模型的結構參數（包括熱電元件長度、面積和導熱基底厚度）對輸出功率和能量轉化效率的影響進行了實驗測試后，分析結果得到：

（1）對于最大輸出功率，熱電元件的最優長度在0.075～0.125 mm 范圍內，能量轉化效率隨著熱電元件長度的減小而提高。隨著熱電元件長度的增加，最大輸出功率呈現先增大后減小的趨勢，而最大能量轉化效率則不斷減小。

（2）輸出功率隨熱電元件截面積的增大而增大，面積比功率和能量轉化效率則緩慢下降。熱電元件截面積增加時，元件熱阻變小，整體優值下降，因此能量轉化效率將減小，在所研究的范圍內減小緩慢；同時從元件熱端流入的傳導熱流增加，因此輸出功率將增大，而截面積更小的熱電元件則具有更高的面積比功率。

（3）陶瓷導熱基底越厚，溫差發電模塊整體熱阻越大，同時熱電元件兩端溫差將減小，Seebeck 電動勢減小，因此輸出功率將會下降；盡管從模塊熱端吸入的熱流也會減小，但與功率下降幅度相比，熱流減小幅度較小，因此能量轉化效率也在不斷減小。

產品應用前景：

隨著科學技術的發展以及能源危機的日益迫切各國在利用溫差進行低品位熱能發電方面加大了研究力度，溫差發電技術在節能領域的應用不斷擴展。

（1）隨工業化進程的加快，各種制造業和加工業等生產過程中產生的廢氣和廢液成倍增加，其中的余熱相當可觀，工業余熱的合理利用是解決能源短缺問題的一個重要方面。利用溫差發電技術進行工業余熱的發電，可降低成本，提高能源的利用率，可帶來巨大的經濟效益，并能改善環境。

（2）隨著我國汽車工業的發展，車輛消耗的能源與日俱增，車輛的節能也越來越受關注。然而，以現有的內燃機指標評估，燃油中 60 %左右的能量沒有得到有效利用，絕大部分以廢熱的形式排放到大氣中，造成了巨大的經濟損失和嚴重的環境污染。因此，利用發動機余熱發電是一個很好的節能途徑。近年來，車用發動機余熱溫差發電技術發展很快，轉換規模在數百瓦至幾千瓦之間。

（3）傳統的能源以化石能源為主，面臨來源枯竭和污染環境的挑戰。而太陽能、海洋能、地熱能等新能源是大自然賦予人類的取之不盡、用之不竭的環保能源。具有諸多優點的溫差發電技術能夠直接將上述新能源轉化為電能，大大簡化了發電系統的結構，將獲得可觀的經濟和社會效益。

參考文獻：

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