半導體溫差發(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 電氣工程學院，四川 成都 611756）

0 引 言

能源是現(xiàn)代經(jīng)濟的重要支撐，是人類社會生存和發(fā)展的重要基礎。人們對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)能源對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞，因此加強對新能源的開發(fā)利用成為當前社會的熱點[1]。半導體溫差發(fā)電能夠直接將熱能轉化為電能，不僅能有效利用自然界中的地熱能、海洋熱能以及太陽能等非污染能源，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)電技術是一個重要的課題。目前，溫差發(fā)電測試系統(tǒng)大多是對單片在不同溫差和不同熱源的情況下進行研究，如利用熱空氣測試單片發(fā)電的影響因素[3]、測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)對輸出的影響。本文測試了單片、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，便于以后對溫差發(fā)電的應用與分析。

1 溫差發(fā)電原理

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

圖1 賽貝克效應示意圖

兩導體間電勢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)與材料的本身性質有關，所以目前制約溫差發(fā)電技術發(fā)展的關鍵點是新型材料的發(fā)展。目前，市面上主要的半導體溫差發(fā)電片中半導體采用碲化鉍，并將127對半導體串聯(lián)或并聯(lián)來達到較大的輸出功率。

2 實驗平臺的搭建

實驗平臺包括熱端恒溫熱水供給模塊、水冷模塊、發(fā)電模塊以及檢測模塊。熱端的熱量由恒溫熱水提供，熱水存儲在保溫桶中，由水管引出后進入貼在溫差發(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，能夠確保在實驗的短暫時間溫度波動很小。同時，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)電模塊由半導體溫差發(fā)電片構成。經(jīng)查閱文獻，多片時各發(fā)電片疊加時采用發(fā)電片的電路串聯(lián)[5]。半導體溫差發(fā)電片采用碲化鉍材料，PN結數(shù)127個，型號為SP1848—27145 SA。檢測模塊包括熱電偶和萬用表，各部位的連接由具有良好導熱性的導熱硅脂粘連。圖2為實驗平臺示意圖。

圖2 實驗平臺示意圖

3 實驗結果及分析

為探究疊加片數(shù)對溫差發(fā)電片發(fā)電的影響，共搭建了3個實驗平臺。每個實驗平臺中發(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，每個實驗平臺各自測量在不同溫差下的電壓、電流等參數(shù)，每次測量4組數(shù)據(jù)，結果取4組數(shù)據(jù)的平均值，得到電壓與溫差、片數(shù)的關系，結果如圖3所示。

圖3 各片開路電壓與溫差的關系

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系，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合后，各實驗平臺的開路電壓與溫差的關系如下：（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)生的總電動勢，但是在溫差較低時增大并不明顯。當溫差較大時，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)電片疊加對電壓的提高作用很小，應采用單片發(fā)電片控制成本；當溫差較高時，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，因為每片的賽貝克系數(shù)相同，所以多片對電壓的提高其實提高了對熱的吸收率。但是，發(fā)電片片數(shù)增加的同時提高了成本。

圖4 在不同溫差下電壓與片數(shù)的關系

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

圖5 各片內(nèi)阻與溫差的關系

由圖5可知，發(fā)電片的內(nèi)阻與溫差沒有明顯關系，但隨著發(fā)電片串聯(lián)數(shù)的增加，內(nèi)阻大幅增加。當發(fā)電片作為電源接入負載時，由功率可知，當外阻等于內(nèi)阻時有最大功率。實驗中，在負載端串接阻值為5 Ω的電阻，得到各實驗平臺的輸出功率，結果如圖6所示。

圖6 負載為5 Ω時功率與溫差的關系

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

由實驗數(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系，提高溫差是提升輸出的最有效方法。結合電壓與片數(shù)的關系以及內(nèi)阻與片數(shù)的關系可以發(fā)現(xiàn)，在溫差較低時，采用單片較為經(jīng)濟且內(nèi)阻低，能提高熱電轉化率，但熱轉化率低，導致大量的熱量流失；在溫差較大時，可以采用多片疊加以提高電壓和熱轉化率，但由于串聯(lián)的片數(shù)增加而內(nèi)阻增大，雖然提高了帶負載能力，但熱電轉化率降低，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，但成本會隨之提高。

5 結 論

搭建實驗平臺后，通過利用恒溫熱水作為熱源，冷端采用水冷方式進行散熱，以形成溫差，并通過改變熱水溫度來改變溫差。研究表明，半導體溫差發(fā)電片的輸出電壓與溫差呈線性關系，內(nèi)阻與溫差無關；隨著串聯(lián)片數(shù)的增加，輸出電壓和內(nèi)阻隨之增加。加入負載后，輸出功率在內(nèi)外阻值相等時達到最大，同時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，但多吸收的熱量遠小于消耗在內(nèi)阻上的熱量，使熱轉化率變低且成本增加較多，單片熱利用率較低。經(jīng)過對比，在溫差較低時，使用單片更好；在溫差較高時，應使用多片疊加，以減小能源的損失。通過本次對半導體溫差發(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，對發(fā)電片模型的搭建有參考價值。