基于温差发电技术的模块化配套装置的设计

吕学良 姚杰聪 李彬

一种基于温差发电片为模块的配套装置，设计旨在利用生活中一些可用热源产生一定功率的电源输出。通过匹配热源状况设计了配套装置的外形结构和工作电路，并在此基础上构建了一套小功率发电、储电装置，可利用如空调外机出风热源，该系统所产生的电能可用来驱动小功率用电器，满足家居生活的一定需要，且装置结构简单，性能可靠，在家庭中装设不影响美观，为家居低碳理念的实现提供了一种很好的选择，有一定的使用和推广价值。

温差发电片；外形设计；空调热风；家居低碳

当今世界，能源与气候问题日益突出，在全球气候变暖的大背景下，低能耗、低排放、低污染的“低碳经济”时代即将到来。低碳的循环的能源亟待发展，对于家居生活的低碳能源倡导，我们还没有投入足够的关注。低碳家居作为一个新兴理念在未来发展中将逐渐显现出其价值。本文关注这一理念，并对家居低碳概念付诸实际行动。温差作为我们日常生活中极其常见的物理现象，有着其不为大多数人所洞察的潜在能量，目前对于这块能量的利用还处于初步的阶段，我们采用半导体温度发电模块来对热源能量进行转化[1]，其具有无噪音、低污染、转化率相对较高等优点，可广泛地用于对家电废热的回收及利用，所产生的电能可作为家庭辅助电力供应系统来使用。

本器件的重要组件为半导体温差发电片，其以塞贝尔效应[2]为基本原理制成。半导体温差发电是一种将温差能（热能）转化成电能的固体状态能量转化方式。事实上，温差发电片在温差较小的范围内并不能体现实际的利用价值。本文选择空调外机出风作为热源，很大程度上考虑到空调其出风口的温度相较于环境存在较为可观的温差。

在空调外机的出风口处架一与出风口大小相匹配的圆弧形罩面（其尺寸随空调设计规格的不同而调整），照面内部规则镶嵌若干温差发电片如图1（a），系统整体功能的实现是通过热风使得罩面两侧形成一定温度差，内部的温差发电片通过线路排布，整合成效率较高的转化装置，所产生的电能经由配置控制电路或储存在蓄电池或直接加载到用电器上。罩面由五个支架固定在空调外机上，罩面与出风口之间留有空隙，使热空气向侧面流通，防止外机散热受阻，引起压缩机无法工作。发电片在罩面内部的排布参照太阳能电池方阵，其主件是由温差发电片单体串并联获得[3]，其扑拓结构如图1（b）。

考虑阵列中所有模块两端的温差构成矩阵 T

假设热电偶的赛贝克系数[4]，模块的内阻和导热性都与温度无关。我们可以将阵列模块等效为一个电压源，其开路电压和电阻分别为和，不考虑输出电流的限制，所以可计算得：当时，输出功率取到最大：

这里是单一热电偶的塞贝克系数； 是与组件相关的导热性系数； t是组件两端的温差。从上式看出，该装置的输出功率主要受三个因素影响：发电片的规格及性能参数；模块的阵列拓扑结构；两端温差。

温差发电罩面包括铝制外壳层、温差发电片、线路排布通道、内壳层、整体电流输出线路管，温差发电片利用软性导热硅胶绝缘垫固定在散热铝槽所做外壳。软性硅胶导热材料有良好的导热能力、高强的绝缘效果、厚度可选择、柔软而富有弹性等特点，引导热量由内而外，分散热量使空间内达到均温。在散热设计中的应用是很广泛的。

我们所用的温差发电实验通过构建冷热源，模拟温差发电装置工作环境，测定温差发电装置在不同温差条件下的热电特性。实验得出TEC112706T200温差发电片发电特性如下：

表1温差发电片测试一试验组数

实验条件说明：冷源温度恒定为30℃；热源加热至稳定20秒后读数；热源初始温度为35℃，逐渐上升。实验测试不同温度等级下的空载电动势得到变化曲线，两组全呈线性增长的变化趋势。由表知，当温度在45℃到55℃时，其发电特性接近于水平，能得到稳定电压1V。我们估计在夏季室外的温度平均可达32℃，而空调外机吹出的热风的温度可达70℃左右。这里的温差在考虑到罩面导热损耗所产生的的温差趋近因素，我们可以确定该款温差发电片能达到预定的功率输出。但是显而易见，其电压水平达不到正常用电器的工作电压，所以可以通过上述的阵列排布将多片串并联起来提高电压，并且针对这一温差发电组件，设计系统的蓄电电路，将温差发电片组件所产生的电能，经过升压，稳压进而储存到蓄电池中以备使用，该电路结构简单，体积小，成本低，而且转换效率达到了90%以上。

结论：我们通过温差发电片模块化的设计，使其与空调相配套，构成可靠，低碳的发电系统。并且对该模块组件进行阵列线路的分析，推导得到该模块所能输出的最佳功率的表达。并且选用到一款合适的温差发电片，对他的在温差的主要性能参数进行了试验检测，其符合日常空调使用的环境情况。最后本文还通过整合蓄电电路，解决了整个系统所产生电源的存储和正常范围内电压驱动等问题。

[1]郑艺华，马永志.温差发电技术及其在节能领域的研究究.节能技术，2006.02

[2]许志建，徐行.塞贝克效应与温差发电[J].现代物理知识，2004.16