半导体温差发电装置的设计及其应用

2014-07-27陈园园

创新科技 2014年16期

关键词：暖气片水冷温差

陈园园司鹏刘彻

（东北大学，辽宁沈阳 110819）

半导体温差发电装置的设计及其应用

陈园园司鹏刘彻

（东北大学，辽宁沈阳 110819）

本文针对太阳能、工业余热废热、海洋热能等低品位能源利用率较低的现状，设计了基于半导体温差发电的简易充电装置。并对装置在理论和实际情况下的节能数据进行了分析与对比。通过对装置的分析，进一步表明此多功能装置运行的可行性和经济性。

温差发电；余热利用；充电;节能减排

当前，人类的发展正面临着全球化的能源危机和环境恶化的威胁，人们更加关注绿色能源技术的发展，使得温差发电技术受到广泛注目。温差发电是一种利用热电材料实现热能和电能直接转换的一种技术。温差发电技术的研究与发展始于20世纪初，在当时研究突破了金属热电材料的限制，发现半导体材料在热电转化中具有优良特性，这就决定了半导体材料在温差发电中有着不可替代的地位[1]。与其他发电技术相比，其具有无运动部件、体积小、重量轻、移动方便和可靠性高等特点，是绿色环保的发电技术[2]。目前，发达国家已经先后将温差电技术的发展列入了中长期能源开发计划中[1]。在航天、科研、军事、医疗等高科技领域得到广泛应用。

本文设计出一种基于温差发电的简易充电装置，充分利用日常生活中的低位热源，实现该装置的多功能应用。

1 设计原理

1.1 塞贝克效应。温差发电利用的是半导体的热电效应。热电效应包三个基本效应：塞贝克效应，珀尔帖效应和汤姆逊效应[3]。开尔文关系式使它们联系在一起，同时还有其他效应的产生，如傅里叶效应、焦耳热效应等。

在温差发电中，主要利用了温差发电材料的塞贝克效应。在由两种不同导体构成的闭合回路中，当两个节点温度不同时，回路中有热电流产生，这就是塞贝克效应[3]。塞贝克系数为αab，其符号和大小取决于组成的材料和两节点的温度。

1.2 温差发电原理。利用赛贝克效应发电就叫温差发电。使用p型和N型结合的半导体元件发电将器件的一侧维持在低温，另一侧维持在高温，器件高温侧就会向低温侧传导热能并产生热流，即热能从高温侧流入器件内，通过器件将热能从低温侧排出时，流入器件的一部分热能在器件内变成电能，通过连接多个这样的元件便可获取更多的电能[4]。简单的半导体温差发电单元如图1所示，P型半导体和N型半导体一端和金属片连接，另一端与负载电阻相接。当一端处于高温热源而另一端处于低温热源时，回路中会产生温差电动势，就有电流流过负载电阻R。

图1 温差电池示意图

2 装置构成及设计方案

该装置是由两个独立的系统构成的：温差发电系统和循环水系统（如图5）。温差发电系统又包括两个重要部分：温差发电模块、升压稳压发电模块。循环水系统由直流5V静水泵、水箱、两个水冷头、水冷管等构成。

2.1 构件介绍。第一，半导体温差发电片。选用SP1848-27145温差发电片，其性能见表1，其中引线长度约30 CM；发电片尺寸为40 mm长×40mm宽×3.4mm厚；可承受的温度区间-40—150℃。在实际使用时接线及升压板会导致一定的电压损失。第二，5V USB升压稳压模块。当输入1V～5V电压时，升压模块可输出5V的稳定电压，输出电压与输出电流关系如图3所示，可知最大输出电流，满足一般小功率产品的用电需求。第三，水冷头。水冷头规格为81× 41×13mm，上面可以并排平放2块SP1848-27145温差发电片；进出水口直径是9.5mm，采用内径为7mm的水冷管连接。内部流道挤压成形，零件钎焊为一整体，适用于计算机CPU水冷，工业变频驱动器、激光头、工业控制柜等的冷却。在此装置中用于温差片冷端冷却，使冷热端具有一定的温差。

图2 半导体温差发电片结构图

表1 温差与输出电压电流关系

图3 开路电压与开路电流的关系

2.2 设计方案。将温差发电片贴在水冷头上，这样贴近水冷头一侧维持在低温，另一侧维持在高温。当温差≥20℃时，温差发电模块将会产生≥0.97V的直流电能，但有时温差难以稳定导致温差发电模块所输出的电压不稳定且电压较低，不能满足一般充电设备的电压要求，因此必须用升压稳压模块对温差发电模块输出的直流电进行升压稳压整流，然后对电压为5V的各类设备通过USB接口供电。其中，温差发电片3、4输出电压给数码电子等产品供电。温差发电片1、2维持5V静音水冷泵运转，使水在整个循环回路中不断流动来降低温差发电片冷端温度，维持发电片两端温差，从而保证整个装置的正常工作。

图4 水冷头及内部结构

图5 暖气片节能自发电装置系统流程图

3 多功能应用

图6 暖气片节能自发电装置实物图

基于以上温差发电原理并根据周围的环境和自身的条件，将图5装置简单改装便可充分利用生活中的多种低位“余热”。

3.1 以暖气片余热为热源发电。以东北地区为例，在冬季采暖时期，触摸暖气片表面会有烫手的感觉，而室内温度一般在23℃左右，靠近暖气片局部区域存在一定的温差，因此设计了如图6所示的暖气片节能自发电装置。由于每个小区实际供暖条件不同，导致室内温差也不尽相同，特别是一些老旧小区，供暖条件差，室内温差小。综上考虑，我们以实际测量的温度和温差为计算数据，如图6中数字测温仪显示温度。暖气片温度为53.8℃，室内温度为21.4℃，温差为32.4℃。由表1可知，在温差为32.4℃的情况下，单个半导体温差片两端电压为1.49V，当将两片串联以后可知两端电压为2.98V，由于线路和升压稳压模块电压损失，实测电压为2.68V。由两片串联的温差发电片输出的电压经过5V（USB）升压稳压模块后，输出5V直流电压，由图3升压板内部结构及开路电压、开路电流关系查得经USB接口输出的电流为360mA，可算得输出功率为P=UI=5×360mW=1.8W。给移动电源充电电流为360mA，那么给5 000mAh移动电源充满电所需要时间为t=5 000mAh/360mA=13.89h。而用交流电对移动电源充电所需时间为t=5 000mAh/1 000mA=5 h，虽然此装置充电时间翻了一倍多，考虑到不需要消耗电能，而且冬季暖气片一直持续供热，温差一直保持稳定，所以装置可以一天24小时持续不断地对不同设备进行供电。1度电=1kW·h，所以此装置运行一天理论上可以储存1.8×24×0.001=0.043度电。虽然说储存电能不多，但是对于当今国内节能减排的趋势而言还是有很大的研究意义和发展前景的。

3.2 利用室内外温差发电。窗户作为建筑物的重要组成部分已有上千年历史，但是近年来随着人们追求居室明亮、美观大方，不断加大窗户面积的同时，一个关于建筑能耗过高的严重问题摆在人们的面前。据国内外专家学者研究结论表明：窗户的耗能约占建筑能耗的30%～40%[4]，已引起全世界建筑行业普遍关注。利用冬夏两季建筑物内外的明显温差，通过温差发电系统（如图7）将热能转化为电能，可供应建筑内部的部分用电需求。对用电的终端进行优化设计，使之满足各种低功耗电子产品的充电需求，以及用做应急电源等。一方面减少家庭从电网索取的用电总量，另一方面在断电或者紧急情况下，为用户提供应急电能。该系统与暖气片节能自发电装置系统流程相同，只是热端接触部位不同，夏季热端受热主要为辐射，冷端通过水循环系统对其冷却。查相关资料可知，夏季沈阳室外平均温度为36℃室内温度为22℃，温差为14℃，由表1查得对应的电压为0.721V，两个发电片串联下电压为1.442V，经5V升压模块升压到5V，由图3查得电流190mA，功率为P=UI=5×190mW=0.95W，满足水泵最低功率0.8W要求。考虑夏季每天达到36℃的时间为三个小时，故此装置在三小时内可储存的电能为0.95×3×0.001= 0.002 85度电。