关于联结方式对温差发电组件理论输出特性的影响分析

杨德龙 陈颖 李梅

摘 要 为探究多级半导体温差发电片的联结方式对发电器输出性能的影响，本文以Bi2Te3温差发电片为对象，通过理论计算2级、4级、6级温差发电片不同联结方式下输出电压、输出电流及输出功率随温差的变化规律。研究发现：温差越大，发电器的输出参数值越大;发电片数量相同时，单行串联级数越多，输出参数值越大;单行串联级数相同时，并联行数越多，输出参数值越大;并联行数相同时，单行串联级数越多，輸出参数值越大。

关键词 联结方式;温差发电;塞贝克效应;输出性能

Abstract In order to investigate the influence of the connection method on the thermoelectric generator. This article takes Bi2Te3 as the research object， and calculated the output voltage， output current and output power of the two-level， four-level， and six-level thermoelectric generators under different connection methods， which Changes in temperature differences.The calculation found that： the greater the temperature difference， the larger the output parameter value of the generator; When the number of generators is the same， The more series in each line， the larger the output parameter value; When the series of single-line is the same， the more parallel lines， the larger the parameter value; When the number of parallel lines is the same， the more serial lines in a single-line， the larger the output parameter value.

Keywords Connection Method; Thermoelectric Generation; Seebeck Effect; Output Powe

引言

塞贝克效应（Seebeck Effect）是指在两种不同金属材料A、B构成的闭合回路中（如图1所示），如果连接点a、b处存在温度差ΔT时，回路中存在塞贝克电动势Uab，外接负载中将会产生电流[1]。

基于塞贝克效应，半导体温差发电模块利用余热进行发电得到广泛应用[2-3]。Hasebe M等[4]以高温天气下的公路面为热源，通过在路面下铺设热管获得高温热源并以附近河流水为冷源驱动19组温差发电组件工作，输出功率达到3.6W，有效利用了沥青公路的低品位热量。李应林等[5]以工业废热为第一级热源，辅助太阳能集热器为第二级热源，工质蒸发侧流动温度为60 ℃、冷凝侧相变温度为27 ℃时，装置发电效率达到7.15 %。张明等[6]通过在真空管中加入热电模块，以套管中的冷水为冷源为发电模块冷端进行散热，在ZT值为0.59时装置日产电量高达2.19 kWh，同时将300 L水加热到55 ℃。

半导体温差发电器的发电效率受限于发电片材料本身的热电性能，增大冷热端温差能够有效增大发电器的输出功率[7]。每一级温差发电片在电路中相当于一个电源，理想状态下，当发电片两端的温差相同时，其输出电压也相同，多级联结时不会损坏发电片的内部器件。单级发电片内阻不变时，多级温差发电片之间的串联或并联方式影响发电器的输出电流及输出电压[8-9]。本文通过理论计算分析多级半导体温差发电片的不同联结方式在不同温差条件下的输出性能。

1研究对象及计算参数

图2是半导体温差发电器件示意图，它通过电导率较高的导流金属片将P型及N型两种半导体材料串联成为闭合回路并固定在两端的陶瓷片上，陶瓷片的导热系数较小。当在陶瓷片两端存在温差时，根据塞贝克效应回路中将产生塞贝克电动势，有负载接入时闭合回路中将产生电流，相当于一个热发电器[10]。通过连接多个这样的器件便可获得较大的电压。

P型半导体的导电机构是电子空穴，受热端的电子空穴浓度高于冷端，当有温差存在时热端空穴逐渐向冷端移动，进而多于半导体内部自由电子并带上正电形成电场，产生的电动势阻止空穴向冷端扩散;N型半导体的导电机构是自由电子，与空穴电荷相等但符号相反，即产生的电动势与P型半导体产生的电动势相反[11]。

本文以Bi2Te3温差发电片（型号：TEC1-12708）为研究对象，材料塞贝克系数约为-170μV/K，尺寸为40mm×40mm×3.5mm，内阻约2.1Ω，粒子对数为127对，电优值系数值取1.5，假定负载R阻值不变恒为5 Ω。

2结果与分析

本文分别对2级、4级、6级温差发电片的不同联结方式在不同温差下工作的输出特性，记[1-2]表示1块温差发电器并联成2行，同理[3-2]表示3级温差发电器串联后再并联成2行，以下为分析结果。

图3为不同联结方式下2级、4级、6级温差发电器输出电压与温差的关系，可以看出，理论输出电压与温差成正比，温差越大，输出电压越大。相同温差下，2级温差发电器[2-1]输出电压大于[1-2]输出电压;4级温差发电器[4-1]输出电压最大，[2-2]的输出电压次之，[1-4]输出电压最小;6级温差发电器[3-2]输出电压大于[2-3]的输出电压。

图4为不同联结方式下2级、4级、6级温差发电器输出电流与温差的关系，同样，输出电流与温差成正比关系。在相同温差下，2级温差发电器[2-1]输出电流大于[1-2]输出电流;4级温差发电器[4-1]输出电流最大，[2-2]的输出电流次之，[1-4]输出电流最小;6级温差发电器[3-2]输出电流压大于[2-3]的输出电流。

圖5为不同联结方式下2级、4级、6级温差发电器输出功率与温差的关系，相同发电器级数下，因输出功率为输出电压与输出电流的乘积，在大小关系上与输出电压及输出电流相同。

以上数据中，[2-3]、[2-2]、[2-1]在相同温差下的输出电压、输出电流及输出电压值均逐渐减小，即单行串联级数相同时，并联行数越少，输出参数值越小;[3-2]、[2-2]、[1-2]在相同温差下的输出电压、输出电流及输出电压值均逐渐减小，即并联行数相同时，单行串联级数越少，输出参数值越小。

单级温差发电片的输出电压相同时，串并联方式会影响发电器整体的总内阻及总输出电压值，从而造成相同级数下输出功率的差异，在实际应用过程中可尽量采用串联级数较大的多行并联方式来实现最大的效率输出。

3结束语

综合以上结果，得出以下结论：

（1）相同联结方式下，温差发电器的输出电压、输出电流、输出功率均随温差的增大而增大。

（2）相同温差发电器总级数，串联级数越多，输出电压、输出电流及输出功率越大。

（3）不同温差发电器总级数，发电器单行串联级数相同时，并联行数越多，输出电压、输出电流及输出功率越大;发电器并联行数相同时，单行串联级数越多，则输出电压、输出电流及输出功率越大。

参考文献

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[11] 苏安琴，张宝丽，罗光丽，等. PN型半导体电特性分析[J]. 无线互联科技，2014（8）：132.

作者简介

杨德龙（1995-），男，云南大理人;毕业院校：云南师范大学太阳能研究所，专业：农业生物环境与能源工程，学历：硕士研究生，职称：教师，现就职单位：滇西应用技术大学普洱茶学院，研究方向：资源循环与利用。