基于温差发电的发电装置的设计与制作

汪琴，王凤琳，杨郁鑫

（武汉科技大学城市学院，湖北 武汉 430083）

温差发电技术是一项基于塞贝克效应，在无需能量转换介质的情况下，直接将热能转化为电能，无消耗、无排放、绿色节能环保的技术。常用绿色发电技术主要是太阳能光伏发电，水力发电，风力发电等，但这些发电方法对发电环境有较大的依赖性，且在能量转换过程中能量损失较大，而温差发电技术不受环境限制，也没有能量转换过程，是一项很有潜力的绿色发电技术，具有较大的科研和应用价值[1,2]。

温差发电技术对能源品位没有要求，这对于我国大量的工业余热的回收和利用，尤其是对于回收率极低的低温余热资源，应用前景可观[3,4]。本文从考虑将温差发电技术应用在工业低品位余热废热回收利用的角度出发，试图设计并制作一套温差发电装置，实现将低温差转换为电能。

1 发电装置的工作原理

塞贝克效应是将两种不同的金属进行连线，并将连线的一结点置于高温状态 T1（热端），而另一端处于开路且处于低温状态T2（冷端），则在冷端导体的开路位置存在电位差，其值为：

其中，αAB为A和B两种导体的相对塞贝克系数，通过试验测得各种材料的seebeck系数，如表1：

表1 常见热电材料的seebeck系数

2 发电装置的设计

半导体温差发电片的由P、N两种不同类型的温差热电材料经电导率较高的导流片串联后，将导流片固定于陶瓷片上形成。

2.1 冷端结构设计

如图1所示，1为铝合金外壳，一方面使热量传导给热端，同时加快冷端散热。2为蓄电池，将电量储存，以便灵活使用。3为稳压模块，保证输出电压的稳定。4为温差发电模块，由多片半导体发电片通过串并联连接在一起，可以根据输出电流电压的需求或者发电装置的形状来调整发电片数量和串并联方式。5为导热硅脂，使发电片的冷、热端很好的与外壳连接，提高热传导效率。6为输出接口，标准化的输出接口有利于储存电能的灵活使用[5]。

图1 冷端结构设计图

2.2 热端结构设计

图2所示为温差发电装置热端，其结构与冷端基本一致，唯一区别为7，7是一层隔热材料，该材料能保证热端传递而来的热量不会影响蓄电池、稳压及输出模块的正常工作。

图2 热端结构设计图

通过试验，选择性价比较高的Bi2Te2作为温差发电装置的热电材料，串联双片温差发电片后经过封装得到简易的发电装置，在热端温度为115℃，冷端温度为51.9℃的条件下，得到输出电压为3.01V，电流为0.07A。

3 发电装置的性能试验

为了后续将装置应用到工业低品位余热废热回收利用中[6,7]，分别从不独立控制冷热端温度和独立控制冷热端温度两个角度出发，试验研究该装置的应用性能。

（1）在不控制冷端温度的条件下，直接对热端进行加热，用电子测温仪测量出冷热面的温差，并测量出不同温差下的输出电压如表2所示：

表2 温差发电性能测试试验的输出电压情况

可以看出，输出电压随温差的增大而增大，当温差达到最大时，输出电压也会达到最大值，而温差越大，电压随温差增加的趋势更加明显。

（2）在独立控制冷热两端温度的条件下进行试验，将热端温度控制到一个数值，改变冷端温度以产生温差，并测量出输出电压如表3所示：

表3 变负载条件下输出电压情况

图3 改变冷端温度条件输出电压图

图3为与表3对应的折线图，通过上图6可以看出，在热端温度相同的条件下，冷端温度的升高将会使发电电压的减小，而在温差相同的情况下，冷端温度越低，输出电压越高。这是因为冷端温度升高会使得温差发电片内阻增大，从而电压减小。

所以，在实际使用过程中，适当的提高冷热端的温差，尽量降低冷端温度，可以获得更好的温差发电效率。

4 结论

本文基于塞贝克效应，选择性价比较高的Bi2Te2作为热电材料，应用温差发电技术制作了简易的温差发电装置，通过试验，发现控制冷端温度能提高发电效率，这对下一步将装置进行串并联改进，并应用到工业低品位余热废热回收利用有着较大的研究价值。

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