半导体温差发电片的研究

吕 霄，陈家伟，刘 聪，倪修正，殷传明

（西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 611756）

0 引 言

能源是现代经济的重要支撑，是人类社会生存和发展的重要基础。人们对能源需求的不断增加，煤、石油与天然气等传统能源资源日益减少。传统能源对生态环境造成了严重破坏，因此加强对新能源的开发利用成为当前社会的热点[1]。半导体温差发电能够直接将热能转化为电能，不仅能有效利用自然界中的地热能、海洋热能以及太阳能等非污染能源，还可回收工业及生活中产生的大量余热废热，提高能源利用率[2]。因此，研究温差发电技术是一个重要的课题。目前，温差发电测试系统大多是对单片在不同温差和不同热源的情况下进行研究，如利用热空气测试单片发电的影响因素[3]、测试单片在不同温差的特性曲线[4]等，但都未考虑发电片片数对输出的影响。本文测试了单片、双片和三片在不同温差情况下的输出特性，既考虑到温差对发电的影响，又加入了发电片片数的影响因素，以更好地了解温差发电的特性，便于以后对温差发电的应用与分析。

1 温差发电原理

温差发电利用赛贝克效应。产生赛贝克效应的重要原因是热端载流子向冷端扩散的结果。P型半导体的载流子为带正电的空穴，空穴从高温端向低温端扩散后，形成了低温端为正的温差电动势；而N型半导体的载流子为电子，形成了低温端为负的温差电动势。如果将P型和N型半导体的一端连接起来并置于热端，而让另一端位于低温端，则两半导体的低温端间将有一个较大的开路电压。图1为赛贝克效应示意图。

图1 赛贝克效应示意图

两导体间电势E=∝Δ T，式中Δ T为热电片两端的温差，∝为赛贝克系数。赛贝克系数与材料的本身性质有关，所以目前制约温差发电技术发展的关键点是新型材料的发展。目前，市面上主要的半导体温差发电片中半导体采用碲化铋，并将127对半导体串联或并联来达到较大的输出功率。

2 实验平台的搭建

实验平台包括热端恒温热水供给模块、水冷模块、发电模块以及检测模块。热端的热量由恒温热水提供，热水存储在保温桶中，由水管引出后进入贴在温差发电片上的紫铜水冷片中。为保证热端的温度恒定，持续通入热水，能够确保在实验的短暂时间温度波动很小。同时，冷端贴的紫铜水冷片中有持续冷水通入，通过控制水流的大小控制冷端的温度。发电模块由半导体温差发电片构成。经查阅文献，多片时各发电片叠加时采用发电片的电路串联[5]。半导体温差发电片采用碲化铋材料，PN结数127个，型号为SP1848—27145 SA。检测模块包括热电偶和万用表，各部位的连接由具有良好导热性的导热硅脂粘连。图2为实验平台示意图。

图2 实验平台示意图

3 实验结果及分析

为探究叠加片数对温差发电片发电的影响，共搭建了3个实验平台。每个实验平台中发电片片数分别为单片、双片和三片，且多片叠加后电路采用串联方式。同时，每个实验平台各自测量在不同温差下的电压、电流等参数，每次测量4组数据，结果取4组数据的平均值，得到电压与温差、片数的关系，结果如图3所示。

图3 各片开路电压与温差的关系

可以看出，随着温差的升高，三片的开路电压随之增大，电压和温差之间呈线性关系，经数据拟合后，各实验平台的开路电压与温差的关系如下：（1）单片E1=0.037 ΔT；（2）双片E2=0.041 ΔT；（3）三片E3=0.045 ΔT。

图4为不同温差下电压与片数的关系。

可以看出，发电片片数的增多可以增大所产生的总电动势，但是在温差较低时增大并不明显。当温差较大时，可以看得到多片发电片叠加相比于单片发电片产生的电压有显著提升。所以，在温差较低的情况下，多片发电片叠加对电压的提高作用很小，应采用单片发电片控制成本；当温差较高时，可以采用多片发电片叠加的方法提高电压。

由于多片间采用串联的方式，所以多片输出的电压为各发电片电压的和值，因为每片的赛贝克系数相同，所以多片对电压的提高其实提高了对热的吸收率。但是，发电片片数增加的同时提高了成本。

图4 在不同温差下电压与片数的关系

由于半导体温差发电片的内阻与温度有关，因此通过测量短路电流与开路电压能够计算出内阻r的大小，结果如图5所示。

图5 各片内阻与温差的关系

由图5可知，发电片的内阻与温差没有明显关系，但随着发电片串联数的增加，内阻大幅增加。当发电片作为电源接入负载时，由功率可知，当外阻等于内阻时有最大功率。实验中，在负载端串接阻值为5 Ω的电阻，得到各实验平台的输出功率，结果如图6所示。

图6 负载为5 Ω时功率与温差的关系

可以看出，功率随温差的升高而增加，但随着片数的增加功率反而下降。经分析，由于多片串联后内阻增加较大，虽然输出电压增加，但电流大幅减小，造成吸收的热功率大部分消耗在内阻上，降低了输出功率，热转化效率变低且增加了成本。

4 提高发电片输出的方案

由实验数据分析可以看出，发电片产生的电压与温差呈线性关系，提高温差是提升输出的最有效方法。结合电压与片数的关系以及内阻与片数的关系可以发现，在温差较低时，采用单片较为经济且内阻低，能提高热电转化率，但热转化率低，导致大量的热量流失；在温差较大时，可以采用多片叠加以提高电压和热转化率，但由于串联的片数增加而内阻增大，虽然提高了带负载能力，但热电转化率降低，大量能量消耗在内阻上；可以采用并联多组以减小内阻而增大输出功率，但成本会随之提高。

5 结 论

搭建实验平台后，通过利用恒温热水作为热源，冷端采用水冷方式进行散热，以形成温差，并通过改变热水温度来改变温差。研究表明，半导体温差发电片的输出电压与温差呈线性关系，内阻与温差无关；随着串联片数的增加，输出电压和内阻随之增加。加入负载后，输出功率在内外阻值相等时达到最大，同时功率随温差的升高而增大，但随着串联片数的增加功率较小。串联片数的增加使内阻增加，虽然输出的电压变大，但多吸收的热量远小于消耗在内阻上的热量，使热转化率变低且成本增加较多，单片热利用率较低。经过对比，在温差较低时，使用单片更好；在温差较高时，应使用多片叠加，以减小能源的损失。通过本次对半导体温差发电片的特性研究，为后面温差发电器的制作提供了理论基础，对发电片模型的搭建有参考价值。