基于塞贝克效应的温差发电器的设计与制作

陈潜源，明 星

(黄冈师范学院 数理学院，湖北 黄州 438000)

基于塞贝克效应的温差发电器的设计与制作

陈潜源，明 星

(黄冈师范学院 数理学院，湖北 黄州 438000)

本文基于塞贝克效应的温差半导体设计了一款温差发电器，通过测量温差T、输出功率P与时间t的关系,计算出发电装置的热量变化，输出的功和平均热电转化效率。温差发电器是新型能源利用技术，可以将各种工业余热、汽车废热等变废为宝，以节约能源和提高效率。

塞贝克效应；温差发电器；新型能源

1 系统实现

1.1 理论背景

当今社会，世界范围内的经济增长与物质文明的进步，都和科学技术发展对能源的开发利用密切相关。目前运行的火力发电厂超大量的废气排放，以及汽车尾气里的二氧化碳的持续排放等，引起了日趋严重的温室效应。近年来人们一方面调整优化能源结构，一方面不断加大对新能源的开发利用。与此同时，能源利用效率也有待进一步提高，特别是工业上和日常生活中余热和废热的综合利用是一个值得研究的课题。利用温差发电技术将余热和废热进行综合利用转化成电能，在能源利用效率的提高和减少环境污染等方面具有重要的经济效益和现实意义。

塞贝克于1821年发现在锑与铜两种材料所组成的电流回路中,如果两个接触点所处的温度不同,那么在回路中就会有电流通过[1-2]。人们把产生这种电流的电动势定义为热电动势，也叫做塞贝克电动势或温差电动势。在P型(N型)半导体中，由于热激发作用较强，高温端的空穴(电子)浓度比低温端的要大，在这种浓度梯度的驱动下，空穴(电子)由于热扩散作用，会从高温端向低温端扩散，从而形成一种电势差，这就是塞贝克效应。将半导体两端相互紧密接触组成环路，若在两联接处保持不同温度，则由于温度差在环路中将产生温差电动势。如图1(a)所示，则在热端可得到一个电压，那么一个PN结就可以利用高温热源与低温热源之间的温差将热能直接转换成电能。如果将很多个这样的PN结串联起来，如图1(b)所示，就可得到理想的电压，增大输出功率，故可以用作日常生活的发电机[3]。

1.2 实现方案和技术

本文设计的温差发电器工作流程如图2所示，实验装置与使用的温差发电半导体模块如图3所示。将半导体温差发电片的冷端连接散热片并置于冷水中，使其冷端温度近似等于环境温度。将导热性良好的金属容器装入热水，用导热膏将容器和半导体温差发电片的热端相连，使其热端温度近似等于热水温度。再通过升压装置将电压升压，用来点亮LED灯。同时用两个数字温度计分别测出环境和热水的温度，计算出温度差，用单片机测出发电片产生的电压和电流。

当温差发电模块两侧温差较低时，产生的电势差较低。为防止这种情况，在控制器中设置了升压电路，借助PT1301直流升压集成块[4]，通过调节可调电阻R2和R3的阻值，可以将温差发电模块产生的较低的直流电压转化成较高的直流电压，升压电路图如图4所示。直接输出电压为V0，升压后电压为V(公式(1))。

(1)

图2 温差发电器的工作流程图

图4 升压电路图

PT1301是一款最低启动电压可低于1V的小尺寸高效率升压DC/DC转换器，采用自适应电流模式PWM控制环路。其内部包含误差放大器、斜坡产生器、比较器、功率开关和驱动器。PT1301能在较宽的负载电流范围内稳定和高效的工作，并且不需要任何外部补偿电路。

2 实验测试和验证

2.1 测量数据

第一次测量如图5所示，是加载一个51Ω的电阻，不加升压模块，直接测量温差发电装置产生的电压和电流，计算输出功率，通过近10min的测试，计算热电转化效率；

第二次测量如图6所示，加升压模块，加载一个51Ω，测量温差发电装置产生的电压和升压后产生的电压，计算输出功率和温差随时间的变化。

2.2 数据分析

通过两次实验，从第一次(不加升压模块)的实测数据来看，如图5(a)所示：输出的电压U和电流I随时间t增长的而逐渐减小；根据第一次实测的电压、电流，可以计算出电功率，得到功率随时间变化的图，如图5(b)所示：输出的功率P也是随时间t增长的而逐渐减小。显然，随时间t的增长体系的温度会不断下降，由此想到温度差是使功率变小的重要原因，于是测出如图5(b)的插图，综上得出随着时间t的增长体系的温度会不断下降，导致功率不断减小。

从第二次(加升压模块)的实测数据来看，如图6(a)所示：加入升压模块后，电压大大升高，但直接输出的电压和升压后的电压随时间t的增长而逐渐减小；如图6(b)所示：随时间t增长体系与外界的温度差逐渐降低，所产生的电压、电流就越小，发电装置输出的功率越小；为了清楚地了解温度差与电压的变化规律，作出温度差与电压的变化规律图，如图6(c)所示：随着温度差增大直接输出的电压和升压后的电压都变大，且加入升压模块后，电压大大升高。综合第二次测试的结果来看，如图6所示，热端和冷端的温差基本恒定时，所产生的电压、电流、输出功率变化缓慢；且选取一段系统比较稳定区间，所产生的电压、电流、输出功率与时间基本呈现线性关系。

实验采用的水的比热容是4.2×103J·kg-1，装水的容器体积V水=(6.4×7.6×13.0)cm3=632.32cm3、水的密度ρ水=1.0×103kg·m-3，第一次测试持续时间565.2s，第二次测试持续时间60.4s。通过给定时间内的水温度变化，就可以计算出水热量变化ΔQ=cmΔT=cρVΔT。

通过第二次测试如图6(b)，温差T、输出功率P与时间关系图可以运用积分算出在60.4s时间内，发电装置输出的功为7.678J，水温变化为2.5℃，水热量变化为6.639×103J，因此可以计算出平均热电转化效率为：η=0.116%。

图6 第二次测试温差发电装置产生的电压与时间关系图(a);第二次测试温差T，输出功率P与时间关系图(b);

3 优势及其应用前景

温差发电有其得天独厚的优点：它是利用热电材料将热能直接转化为电能，是一种全固态能量转化方式。因而在发电的过程中无噪音，无磨损，无介质泄露且体积小，重量轻，移动方便，使用寿命长，稳定，环保等。整个温差发电装置如果直接用半导体温差发电片焊接而成，让发电片的热端直接与废热或者余热接触，相对热电转换效率将更高。

温差发电器能够在特殊情况下提供应急电源，例如在野外或无供电的情况下，利用人体与环境之间的温差，或者收集太阳光的热量，利用温差发电技术可实现热电转换，提供应急供电。通过温差发电技术，充分利用工业和生活中的余热和废热能源，变废为宝，对提高能源的利用效率，促进节能减排，具有十分重要的应用价值。

[1] 赵凯华，陈熙谋. 电磁学[M].北京：高等教育出版社，1985：310-318.

[2] 薛增泉. 热力学与统计物理[M]. 北京：北京大学出版社，1995：91-103.

[3] 何元金，陈宏，陈默轩. 温差发电——一种新型绿色的能源技术[J]. 工科物理，2000,(2):36-41.

[4] 马建国，等.电子系统设计[M].北京：高等教育出版社，2006：35-92.

责任编辑 喻晓敏

Design and fabrication of thermoelectric generator based on Seebeck effect

CHEN Qian-yuan， MING Xing

(College of Mathematic and Physics，Huanggang Normal University, Huangzhou 438000, Hubei， China)

The semiconductor thermoelectric generator was designed based on the Seebeck effect of temperature difference. That calculated the heat changes, the output power and the average conversion efficiency of generator by the relationship between temperature T, the output power P and time t. Thermoelectric generator is a new energy technology, which can change all kinds of industrial waste heat and automobile waste heat into something useful to save energy and to improve the efficiency.

Seebeck effect; thermoelectric generator; new energy

2016-11-29 doi 10.3969/j.issn.1003-8078.2017.03.11

陈潜源，男，湖北黄冈人，2014级物理学专业本科生。

明星，男，湖北黄冈人，教授，博士，主要研究方向为功能材料物理。

黄冈师范学院2016年校级大学生创新创业训练计划项目(35)。

TM913

A

1003-8078(2017)03-0054-04