水冷式半导体温差发电技术及应用

阚宗祥，池桂君

（香河东方电子有限公司，河北 香河 065400）

0 引 言

全球范围内人口不断增加、经济社会不断进步以及工业化的不断推进，使能源问题日益突出。无论是国内还是国外，能源增长快且供给紧张，但是有效利用率低，污染成为资源与社会经济发展的一大问题。因此，寻找可再生绿色能源、可循环利用资源，推进循环经济，成为当前的热门研究[1]。相比之下，可再生发电技术是当前的一个重要方向，能够实现循环资源利用的温差发电技术。较其他发电方式而言，它具有清洁、无污染、效率高、服役寿命厂、可靠性高等特点。该技术利用热电转换材料直接进行热电转换，并在军工等领域有一定的推广。半导体材料的改进和技术的发展，极大地推进了温差发电技术的进步。目前，以该材料为转换媒介的温差发电，在工业生产中已经大量普及[2]。

温差发电基于三个热电转换效应，分别是赛贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应[3]。进入新世纪以来，工业化有了长足的发展，但全球环境恶化更加严重，能源短缺日渐突出，极大地威胁着人类社会的长期稳定发展，对于绿色环保技术的研究和推广在全球范围都有迫切需求。但是，燃料电池方面存在不少问题，受制于半导体发电技术和制造技术高效的热电转换材料未能全面普及。作为一种全固态的热电能量转换技术，它不需要通过化学反应或者其他流体介质进行转换。但是，半导体热电转换材料在转换过程中并不会产生环境污染，如噪声、固态废料、体积小、服役寿命长且后期维护成本低。以上各个因素，使得温差发电技术在民用领域的应用研究成为热门[4]。

1 半导体温差发电基本原理

1.1 温差发电原理

如图1所示，两种不同的材料进行串联形成一个闭合回路。如果令其两个端部保持在不同的温度下，就会在导体开路位置形成一个电位差，电位差的大小为Vxy=αab(T1-T2)。但是，只要两个端部的温差ΔT不是很大，该关系就是线性关系，其中αab是一个常数。因此，可以可定义uV/K是两种异体的相对赛贝克系数，单位是V/K，。其中，Vyz正负皆可，取决于温度梯度方向以及回路组成材料的性能。一般情况下定义如下：电流自1处通过导体A进入B端，其中赛贝克系数为正值；相反，则为负值。可以看出，赛贝克系数的数值及其正负取决于所选用导体材料的热电性，同温度梯度的大小及方向没有关系[5]。

帕尔贴效应与同赛贝克效应完全相反，如图2所示。在导体A端、B端连接形成回路通入电流时，在另外一个端部就会产生焦耳热，同时释放出其他能量，另外一段会吸收能量。一旦改变电流方向，吸热端和放热端也会相应变化。研究表明，接头处的热量同电流成正比关系，即Q=πabI，πab是一个常数，也就是帕尔贴系数，单位是W/A。如图2所示，电流从2处由A进入B时，接头从外界吸热，系数为正；反之，为负。

图1 赛贝克效应演示图

图2 帕尔贴效应示意图

有温度梯度的半导体材料中电流流过均匀导体，除了产生同电阻相关的焦耳热（不可逆）外，还存在可逆的热效应，即电流反向后吸（放）热端会变为放（吸）热端，吸收和放出的热量与电流密度和温度梯度成正比，这个效应称为汤姆逊效应其中τ是汤姆逊系数，单位是V/K。

图3是P、N型半导体材料的无量纲优值系数。在不同温度下进行不同温差发电材料的选择，可以通过不同材料的组合实现更大温差的选择。

图3 不同温差半导体材料的无量纲优值系数

1.2 热电转换效率和功率

温差发电器主要是由N型或P型半导体元器件和负载电阻RL组成。若设定元器件的工作电流为I，αnp是温差发电元器件的赛贝克系数，τ是元器件的汤姆逊系数，λ是该半导体材料的导热系数，A是N-P型电偶臂横截面积，R是温差发电元件的电阻值，RL为负载电阻，r为温差发电元件的内阻，其中m=RL/R，也被称作是匹配系数，可以获得温差发电效率，简化如下：

令dη/dm=0时，即可获得温差发电元件效率最高值ηmax。

根据赛贝克效应以及电磁学基本定律，可以获得温差发电器的基本输出功率为：

当负载电阻RL匹配温差发电器阻值大小时，即m=1。此时，负载电阻能够从发电系统中获得最大输出功率，大小为：

此时的发电效率为：

因此，只要保证冷热端其中之一温度恒定，优值系数越大，所产生的温差越大，发电效率越高。

2 半导体温差发电模块设计

2.1 转炉余热的基本特征

冶金工业中各类设备繁杂，能够产生的余热多且难于回收，中间工序（见图4）所消耗的能量占到整个工序能耗的8%。由于转炉炼钢工艺复杂、设备繁多，能够用到的原材料及辅助材料种类多、量大，从能耗上来看，属于高能耗工序。转炉所产生的余热主要是通过高浓度煤气（约1 600 ℃）的利用进行回收，这些煤气的粉尘量为150～200 mg/m3，通过风机吸入封闭回收系统，经过降温、除尘、灭火后，为能源供给用户使用。但是，高温煤气的回收工艺复杂、成本高，仅使用于个别大型钢厂。

图4 转炉炼钢设备图

转炉壁面温度高达600 ℃。该部分的热量以热对流和辐射进行散热。由于转炉会经常运动部件，废热不能通过固定在一个固定位置进行废热回收用于废热发电系统。目前，该部分的热量并未被大量回收利用。通常是将小型半导体温差发电模块在转炉外墙上进行镶嵌，利用炉壁耗散所产生的温差进行发电。

2.2 半导体温差发电系统的设计

图5是半导体水冷温差发电模块的基本结构，主要包括固定卡片、紧固螺丝、散热水箱、半导体温差发电器件、石墨导热层、吸热金属块、进水口、出水口、正极连接线、负极连接线、热源底板、正极引出线、负极引出线、进水管和出水管等部分。温差发电元件的冷却面同水冷散热装置相联接，但是剩余的热量同时通过热传导的形式进行温差发电元件的散热，通过温差发电元件传递给散热器，最后通过自然对流或者强制对流形式进行散热。但是，温差发电元器件的冷热面之间会产生一定的温差，通过赛贝克效应产生电量。

图5 水冷式半导体温差发电系统基本原理图

炼钢转炉半导体温差发电系统需要依据转炉外壁形状进行发电模块的设计。墙壁外嵌入温差发电模块，结构如图6所示。转炉所产生的热量通过外壁传入半导体温差发电模块，使其在内部产生一定的温差，形成赛贝克电压产生电功率。最后，产生的电源通过电源控制电路提供给负载电路，同时其余电量用于驱动冷却循环水系统，实现温差发电模块的冷却。

图6 转炉水冷式半导体温差发电系统结构示意图

2.3 半导体温差发电元件的选用

水冷式半导体温差发电元器件采用的是香河东方电子有限公司提供的高效半导体温差发电元器件，具体型号为TEPI-1764-3.4，制造材料为Bi2Te3基热材料，P型：（70%～75%）Sb2Te3+（25%～30%）Sb2Te3+P型杂质；N型：（90% ～ 93%）Si2Te3+（7% ～ 10%）Si2Te3+N型杂质，器件的大小56 mm×60 mm，共有176对P-N结。其中，图7是半导体温差发电模块的元器件实物图，表1是其参数表。

图7 半导体温差发电元器件实物

该型号的半导体温差发电材料的导热系数是λ，其中厂家给定的一定温差范围内的导热系数是1.7 W/m·K。若采用恒定的导热系数进行数值计算偏差较大，需要设计发电模块所需要的能够随温度变化的导热系数，如图8所示。导热系数随温度变化源于测量的扩散系数和相应的热容，以获取样品的可变导热系数值。该材料的无量纲优值系数ZT与温度的关系曲线如图9所示。

图8 温差发电材料导热系数与温度关系曲线

图9 温差发电材料无量纲优值系数与温度关系曲线

表1 温差发电所用元器件参数规格表

其中，图8为导热系数λ与温度变化的拟合曲线。半导体材料的导热系数随着温度的变化呈现抛物线变化，当温度达到343 K时，温度越大，导热系数λ越小，最小为1.7 W/m·K；当温度大于343 K时，温度越高，导热系数越大。这是由于半导体材料的导热系数越小，温差发电元件两端在相同热量流下产生的温差会越大，发电功率也会越大。因此，在较高的热量流下，应该最大可能降低半导体元件冷端温度，提升半导体温差发电元件的发电功率。同时，设计良好的冷热端形式是温差发电系统的重点。

图9是半导体温差材料的无量纲优值系统随温度变化的曲线。通过曲线分析发现，该系数的基本变化规律与导热系数的变化规律基本相同。在室温到373 K时，性能良好，最高无量纲优值为0.8。因此，为了获得良好的发电效果，需要尽可能提高冷却效果，降低温差发电元件的均温，降低材料的导热系数，加大温差，获得更高的无量纲优值系数。

受制造工艺和材料本身性质的原因，即使同一个厂家所生产的同一个规格的半导体温差发电元件在同一温差范围内也会有一定差异，这需要通过具体的试验测得。在水冷状态下，每一个温差大电元件能够产生电压为2.8～3.8 V，所发生的电最终是要提供给用户使用，为了方便应用，需要设计电源控制电路进行直流电转换。控制电路的电压一般不超过10 V，需要同时采用4个半导体温差发电元件进行串联，使之满足控制电路的电压要求，但每一个水冷式温差发电模块均需要采用4个半导体温差发电元件串联而成。

3 结 论

综上论述，半导体温差发电系统技术已基本成熟，其发电效率直接取决于温差发电元器件（半导体）的温差，而温差发电模块是热电系统的设计核心。为了获得更优良的温差，发电系统的冷却模块至关重要，需要通过专门的冷却措施来提升冷却效果，如设计专用的CFD散热器或采用强制水冷方式冷却。