陳園園 司 鵬 劉 徹

（東北大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

陳園園 司 鵬 劉 徹

（東北大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

本文針對(duì)太陽(yáng)能、工業(yè)余熱廢熱、海洋熱能等低品位能源利用率較低的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的簡(jiǎn)易充電裝置。并對(duì)裝置在理論和實(shí)際情況下的節(jié)能數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與對(duì)比。通過(guò)對(duì)裝置的分析，進(jìn)一步表明此多功能裝置運(yùn)行的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

溫差發(fā)電；余熱利用；充電;節(jié)能減排

當(dāng)前，人類的發(fā)展正面臨著全球化的能源危機(jī)和環(huán)境惡化的威脅，人們更加關(guān)注綠色能源技術(shù)的發(fā)展，使得溫差發(fā)電技術(shù)受到廣泛注目。溫差發(fā)電是一種利用熱電材料實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接轉(zhuǎn)換的一種技術(shù)。溫差發(fā)電技術(shù)的研究與發(fā)展始于20世紀(jì)初，在當(dāng)時(shí)研究突破了金屬熱電材料的限制，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料在熱電轉(zhuǎn)化中具有優(yōu)良特性，這就決定了半導(dǎo)體材料在溫差發(fā)電中有著不可替代的地位[1]。與其他發(fā)電技術(shù)相比，其具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、體積小、重量輕、移動(dòng)方便和可靠性高等特點(diǎn)，是綠色環(huán)保的發(fā)電技術(shù)[2]。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)先后將溫差電技術(shù)的發(fā)展列入了中長(zhǎng)期能源開發(fā)計(jì)劃中[1]。在航天、科研、軍事、醫(yī)療等高科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)出一種基于溫差發(fā)電的簡(jiǎn)易充電裝置，充分利用日常生活中的低位熱源，實(shí)現(xiàn)該裝置的多功能應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 塞貝克效應(yīng)。溫差發(fā)電利用的是半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)包三個(gè)基本效應(yīng)：塞貝克效應(yīng)，珀?duì)柼?yīng)和湯姆遜效應(yīng)[3]。開爾文關(guān)系式使它們聯(lián)系在一起，同時(shí)還有其他效應(yīng)的產(chǎn)生，如傅里葉效應(yīng)、焦耳熱效應(yīng)等。

在溫差發(fā)電中，主要利用了溫差發(fā)電材料的塞貝克效應(yīng)。在由兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路中，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中有熱電流產(chǎn)生，這就是塞貝克效應(yīng)[3]。塞貝克系數(shù)為αab，其符號(hào)和大小取決于組成的材料和兩節(jié)點(diǎn)的溫度。

1.2 溫差發(fā)電原理。利用賽貝克效應(yīng)發(fā)電就叫溫差發(fā)電。使用p型和N型結(jié)合的半導(dǎo)體元件發(fā)電將器件的一側(cè)維持在低溫，另一側(cè)維持在高溫，器件高溫側(cè)就會(huì)向低溫側(cè)傳導(dǎo)熱能并產(chǎn)生熱流，即熱能從高溫側(cè)流入器件內(nèi)，通過(guò)器件將熱能從低溫側(cè)排出時(shí)，流入器件的一部分熱能在器件內(nèi)變成電能，通過(guò)連接多個(gè)這樣的元件便可獲取更多的電能[4]。簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體溫差發(fā)電單元如圖1所示，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體一端和金屬片連接，另一端與負(fù)載電阻相接。當(dāng)一端處于高溫?zé)嵩炊硪欢颂幱诘蜏責(zé)嵩磿r(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，就有電流流過(guò)負(fù)載電阻R。

圖1 溫差電池示意圖

2 裝置構(gòu)成及設(shè)計(jì)方案

該裝置是由兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)構(gòu)成的：溫差發(fā)電系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)（如圖5）。溫差發(fā)電系統(tǒng)又包括兩個(gè)重要部分：溫差發(fā)電模塊、升壓穩(wěn)壓發(fā)電模塊。循環(huán)水系統(tǒng)由直流5V靜水泵、水箱、兩個(gè)水冷頭、水冷管等構(gòu)成。

2.1 構(gòu)件介紹。第一，半導(dǎo)體溫差發(fā)電片。選用SP1848-27145溫差發(fā)電片，其性能見(jiàn)表1，其中引線長(zhǎng)度約30 CM；發(fā)電片尺寸為40 mm長(zhǎng)×40mm寬×3.4mm厚；可承受的溫度區(qū)間-40—150℃。在實(shí)際使用時(shí)接線及升壓板會(huì)導(dǎo)致一定的電壓損失。第二，5V USB升壓穩(wěn)壓模塊。當(dāng)輸入1V～5V電壓時(shí)，升壓模塊可輸出5V的穩(wěn)定電壓，輸出電壓與輸出電流關(guān)系如圖3所示，可知最大輸出電流，滿足一般小功率產(chǎn)品的用電需求。第三，水冷頭。水冷頭規(guī)格為81× 41×13mm，上面可以并排平放2塊SP1848-27145溫差發(fā)電片；進(jìn)出水口直徑是9.5mm，采用內(nèi)徑為7mm的水冷管連接。內(nèi)部流道擠壓成形，零件釬焊為一整體，適用于計(jì)算機(jī)CPU水冷，工業(yè)變頻驅(qū)動(dòng)器、激光頭、工業(yè)控制柜等的冷卻。在此裝置中用于溫差片冷端冷卻，使冷熱端具有一定的溫差。

圖2 半導(dǎo)體溫差發(fā)電片結(jié)構(gòu)圖

表1 溫差與輸出電壓電流關(guān)系

圖3 開路電壓與開路電流的關(guān)系

2.2 設(shè)計(jì)方案。將溫差發(fā)電片貼在水冷頭上，這樣貼近水冷頭一側(cè)維持在低溫，另一側(cè)維持在高溫。當(dāng)溫差≥20℃時(shí)，溫差發(fā)電模塊將會(huì)產(chǎn)生≥0.97V的直流電能，但有時(shí)溫差難以穩(wěn)定導(dǎo)致溫差發(fā)電模塊所輸出的電壓不穩(wěn)定且電壓較低，不能滿足一般充電設(shè)備的電壓要求，因此必須用升壓穩(wěn)壓模塊對(duì)溫差發(fā)電模塊輸出的直流電進(jìn)行升壓穩(wěn)壓整流，然后對(duì)電壓為5V的各類設(shè)備通過(guò)USB接口供電。其中，溫差發(fā)電片3、4輸出電壓給數(shù)碼電子等產(chǎn)品供電。溫差發(fā)電片1、2維持5V靜音水冷泵運(yùn)轉(zhuǎn)，使水在整個(gè)循環(huán)回路中不斷流動(dòng)來(lái)降低溫差發(fā)電片冷端溫度，維持發(fā)電片兩端溫差，從而保證整個(gè)裝置的正常工作。

圖4 水冷頭及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5 暖氣片節(jié)能自發(fā)電裝置系統(tǒng)流程圖

3 多功能應(yīng)用

圖6 暖氣片節(jié)能自發(fā)電裝置實(shí)物圖

基于以上溫差發(fā)電原理并根據(jù)周圍的環(huán)境和自身的條件，將圖5裝置簡(jiǎn)單改裝便可充分利用生活中的多種低位“余熱”。

3.1 以暖氣片余熱為熱源發(fā)電。以東北地區(qū)為例，在冬季采暖時(shí)期，觸摸暖氣片表面會(huì)有燙手的感覺(jué)，而室內(nèi)溫度一般在23℃左右，靠近暖氣片局部區(qū)域存在一定的溫差，因此設(shè)計(jì)了如圖6所示的暖氣片節(jié)能自發(fā)電裝置。由于每個(gè)小區(qū)實(shí)際供暖條件不同，導(dǎo)致室內(nèi)溫差也不盡相同，特別是一些老舊小區(qū)，供暖條件差，室內(nèi)溫差小。綜上考慮，我們以實(shí)際測(cè)量的溫度和溫差為計(jì)算數(shù)據(jù)，如圖6中數(shù)字測(cè)溫儀顯示溫度。暖氣片溫度為53.8℃，室內(nèi)溫度為21.4℃，溫差為32.4℃。由表1可知，在溫差為32.4℃的情況下，單個(gè)半導(dǎo)體溫差片兩端電壓為1.49V，當(dāng)將兩片串聯(lián)以后可知兩端電壓為2.98V，由于線路和升壓穩(wěn)壓模塊電壓損失，實(shí)測(cè)電壓為2.68V。由兩片串聯(lián)的溫差發(fā)電片輸出的電壓經(jīng)過(guò)5V（USB）升壓穩(wěn)壓模塊后，輸出5V直流電壓，由圖3升壓板內(nèi)部結(jié)構(gòu)及開路電壓、開路電流關(guān)系查得經(jīng)USB接口輸出的電流為360mA，可算得輸出功率為P=UI=5×360mW=1.8W。給移動(dòng)電源充電電流為360mA，那么給5 000mAh移動(dòng)電源充滿電所需要時(shí)間為t=5 000mAh/360mA=13.89h。而用交流電對(duì)移動(dòng)電源充電所需時(shí)間為t=5 000mAh/1 000mA=5 h，雖然此裝置充電時(shí)間翻了一倍多，考慮到不需要消耗電能，而且冬季暖氣片一直持續(xù)供熱，溫差一直保持穩(wěn)定，所以裝置可以一天24小時(shí)持續(xù)不斷地對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行供電。1度電=1kW·h，所以此裝置運(yùn)行一天理論上可以儲(chǔ)存1.8×24×0.001=0.043度電。雖然說(shuō)儲(chǔ)存電能不多，但是對(duì)于當(dāng)今國(guó)內(nèi)節(jié)能減排的趨勢(shì)而言還是有很大的研究意義和發(fā)展前景的。

3.2 利用室內(nèi)外溫差發(fā)電。窗戶作為建筑物的重要組成部分已有上千年歷史，但是近年來(lái)隨著人們追求居室明亮、美觀大方，不斷加大窗戶面積的同時(shí)，一個(gè)關(guān)于建筑能耗過(guò)高的嚴(yán)重問(wèn)題擺在人們的面前。據(jù)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究結(jié)論表明：窗戶的耗能約占建筑能耗的30%～40%[4]，已引起全世界建筑行業(yè)普遍關(guān)注。利用冬夏兩季建筑物內(nèi)外的明顯溫差，通過(guò)溫差發(fā)電系統(tǒng)（如圖7）將熱能轉(zhuǎn)化為電能，可供應(yīng)建筑內(nèi)部的部分用電需求。對(duì)用電的終端進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之滿足各種低功耗電子產(chǎn)品的充電需求，以及用做應(yīng)急電源等。一方面減少家庭從電網(wǎng)索取的用電總量，另一方面在斷電或者緊急情況下，為用戶提供應(yīng)急電能。該系統(tǒng)與暖氣片節(jié)能自發(fā)電裝置系統(tǒng)流程相同，只是熱端接觸部位不同，夏季熱端受熱主要為輻射，冷端通過(guò)水循環(huán)系統(tǒng)對(duì)其冷卻。查相關(guān)資料可知，夏季沈陽(yáng)室外平均溫度為36℃室內(nèi)溫度為22℃，溫差為14℃，由表1查得對(duì)應(yīng)的電壓為0.721V，兩個(gè)發(fā)電片串聯(lián)下電壓為1.442V，經(jīng)5V升壓模塊升壓到5V，由圖3查得電流190mA，功率為P=UI=5×190mW=0.95W，滿足水泵最低功率0.8W要求?？紤]夏季每天達(dá)到36℃的時(shí)間為三個(gè)小時(shí)，故此裝置在三小時(shí)內(nèi)可儲(chǔ)存的電能為0.95×3×0.001= 0.002 85度電。

圖7 基于室內(nèi)外溫差發(fā)電的簡(jiǎn)易裝置實(shí)物圖

綜上所述，本發(fā)電裝置在有微小溫差存在的條件下就能將熱能轉(zhuǎn)化為電能，能夠滿足小功率產(chǎn)品的充電要求，并充分利用了日常生活中的低位“余熱”，減少了能源的浪費(fèi)。此裝置安全無(wú)污染、投資小，制作簡(jiǎn)便，控制和維護(hù)方便。它的設(shè)計(jì)符合我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)和綠色發(fā)展的要求，具有很好的發(fā)展前景。

[1]趙媛媛.集熱式太陽(yáng)能溫差發(fā)電裝置的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[2]黃學(xué)章，包涵，周孑民，張承麗，張韜.鋁電解槽側(cè)壁余熱利用的半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)[J].輕金屬，2011（9）：33-37.

[3]黃學(xué)章，徐冰，張韜，包涵，郭智群.基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的數(shù)碼設(shè)備充電[J].電源技術(shù)，2010，34（8）：835-838.

[4]趙吉慶，陳文娟.太陽(yáng)能半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置研制[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（11）：75-78.

[5]王金南，曹東，等.能源與環(huán)境：中國(guó)2020[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2004.

TM 913

A

1671-0037（2014）08-84-2

陳園園（1990-），女，在讀研究生，研究方向：電磁冶金。