胡 狀 李仲儀 劉炳鍵 劉 丹 董 臣 陳東生*

(上海電力學(xué)院數(shù)理學(xué)院 上海 200090)

半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的性能研究*

胡 狀 李仲儀 劉炳鍵 劉 丹 董 臣 陳東生*

(上海電力學(xué)院數(shù)理學(xué)院 上海 200090)

溫差發(fā)電是一種綠色環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，它可以直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能.該技術(shù)具有體積小、重量輕、移動(dòng)方便和可靠性高等特點(diǎn)．它可以利用太陽能、地?zé)崮堋⒑Ｑ鬁夭?、余熱和廢熱等熱能進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換．作為一種替代選擇，溫差發(fā)電技術(shù)具有巨大的潛力和良好的發(fā)展前景．

溫差發(fā)電技術(shù) 賽貝克效應(yīng) 熱力學(xué)第一定律 轉(zhuǎn)換效率

1 引言

21世紀(jì)的世界正在以前所未有的速度發(fā)展著，然而這背后卻潛藏著巨大的危機(jī)——能源危機(jī)．經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí)意味著人類對能源需求的劇增，然而據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計(jì)2007》估計(jì)，按照目前的使用狀況,全球石油還可開采42年，天然氣還可開采63年，煤炭還可開采295年.因此本世紀(jì)的人類正面臨著一次勢在必行的能源革命[1]．

隨著世界人口能源危機(jī)、環(huán)境污染的日益加劇.人類對能源的需求日益增加，迫切需要一種新型能源來替代傳統(tǒng)能源．隨著科技的進(jìn)步，太陽能、風(fēng)能、溫差能等能源受到越來越多的重視和利用發(fā)展[2]．

溫差發(fā)電技術(shù)是一種綠色環(huán)保的發(fā)電方式，主要是利用塞貝爾效應(yīng)，將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能[3]．溫差發(fā)電具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、無運(yùn)動(dòng)部件、無噪音的特點(diǎn)．作為一種綠色環(huán)保的發(fā)電方式，近年來溫差發(fā)電的應(yīng)用發(fā)展迅速，盡管目前溫差發(fā)電的效率普遍較低，但隨著新型高性能熱電材料以及性能可靠的溫差發(fā)電器的研究與開發(fā)，溫差發(fā)電技術(shù)將會(huì)更大地發(fā)揮其在低品位能源利用發(fā)面的優(yōu)勢[4]．

2 實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容

溫度傳感器測量溫差發(fā)電片的吸熱面Thot和散熱面Tclod兩端的溫度，通過數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇ASCO Capstone軟件，電壓電流傳感器測量負(fù)載電阻兩端的電壓U和通過負(fù)載電阻的電流I．吸熱面和散熱面兩端溫度差(ΔT)和直流電源和溫差發(fā)電片的輸出功率(P)，可以由下面的公式求得

ΔT=Thot-Tclod

(1)

P=UI

(2)

在熱力學(xué)中，系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，設(shè)與環(huán)境之間交換的熱為Q(吸熱為正，放熱為負(fù))， 與環(huán)境交換的功為W(對外做功為負(fù)，外界對物體做功為正)，可得熱力學(xué)能(亦稱內(nèi)能)的變化為

E=Q+W

(3)

Q=cmΔT

(4)

上式中Q為系統(tǒng)能量的變化，m為系統(tǒng)的質(zhì)量(本實(shí)驗(yàn)中溫差發(fā)電片采用鋁片為基本材料)，c為材料的比熱容[鋁的比熱容約為0.90 J/(g·℃)]，ΔT為溫差發(fā)電裝置兩端的溫度差(ΔT=Thot-Tclod)．

在熱泵模式時(shí)，溫差發(fā)電裝置能量變化如圖1所示.

圖1 熱泵模式時(shí)能量傳遞

溫差發(fā)電裝置儲(chǔ)存能量，由熱力學(xué)第一定律可得

Qhot=Qclod+W

(5)

式中，W為裝置做的功(等于功率時(shí)間曲線中功率曲線與時(shí)間軸形成的面積)；Qhot為高溫端溫度變化；Qclod為低溫端溫度變化．

在熱機(jī)模式(溫差發(fā)電模式)中，由熱力學(xué)第一定律可得

Qclod-Qhot=W

(6)

式中，W為裝置做的功(等于功率時(shí)間曲線中功率曲線與時(shí)間軸形成的面積)；Qhot為高溫端溫度變化；Qclod為低溫端溫度變化．

圖2 熱機(jī)模式能量傳遞

裝置的能量轉(zhuǎn)換效率

(7)

公式W中為功率時(shí)間曲線中曲線與時(shí)間軸所包圍面積．

溫差發(fā)電裝置的能量利用率

(8)

式中，W1表示在熱泵模式中電路對溫差發(fā)電裝置所做的功(在熱泵模式段功率時(shí)間曲線中曲線與時(shí)間軸所包圍面積)；W2表示溫差發(fā)電模式的電路輸出功率(熱機(jī)模式段功率時(shí)間曲線中曲線與時(shí)間軸所包圍面積)．

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量及分析

3.1 實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)

通過電壓表和電流表，測試溫差裝置兩端溫度差為3℃和12℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示.

表1 溫差裝置兩端溫度差為3℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 溫差裝置兩端溫度差為12℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制電壓、電流、功率隨電阻變化的曲線，如圖3所示.

(a)輸出功率隨電阻變化曲線

(b)電流隨電阻變化曲線

(c)電壓隨電阻變化曲線

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，在一定溫差定范圍內(nèi)溫差發(fā)電組件的輸出電壓隨溫差的不斷增大而相應(yīng)增加，隨負(fù)載的逐漸增大而相應(yīng)增加；在相同的溫差條件下，溫差發(fā)電組件的輸出電流跟隨負(fù)載的增加而逐漸下降．

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在對溫差發(fā)電裝置的特性探究中，通過對相同輸出負(fù)載不同溫差、相同溫差同輸出負(fù)載的對比分析，和溫差發(fā)電裝置特性探究中，可以得到如下結(jié)論：

(1)在給裝置一個(gè)相同初始溫差，在對不同的輸出負(fù)載分析中，對數(shù)據(jù)的分析比較可以得到，在實(shí)驗(yàn)誤差允許的情況下，利用溫差發(fā)電裝置，在熱泵模式和熱機(jī)模式時(shí)均可驗(yàn)證熱力學(xué)第一定律．

(2)在相同輸出負(fù)載和不同溫差特性探究中，通過對3組數(shù)據(jù)的計(jì)算分析可以得出，溫差發(fā)電裝置的整個(gè)能量轉(zhuǎn)換效率比較低、且能源利用效率更加的偏低．

(3)在一定范圍內(nèi)溫差發(fā)電組件的輸出電壓隨溫差的不斷增大而相應(yīng)增加，隨負(fù)載的逐漸增大而相應(yīng)增加．在相同的溫差條件下，溫差發(fā)電組件的輸出電流跟隨負(fù)載的增加而逐漸下降．在相同的溫差條件下，溫差發(fā)電組件的輸出功率近似于一條拋物線．

1 方祖捷,陳高庭,葉青，等.太陽能發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展.中國激光,2009,36(1):5～14

2 曹懷術(shù),廖華,巍一鳴.2010年中國能源流分析.中國能源,2012,34(4):29～31

3 周宏春.對低碳背景下中國能源戰(zhàn)略的若干思考.中國能源,2012,34(5):5～11

4 夏凱.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱熱電轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì):[碩士學(xué)位論文].武漢:武漢理工大學(xué),2011

**上海市大學(xué)生科研創(chuàng)新、國家大學(xué)生科研創(chuàng)新基金資助.作者簡介：胡狀(1991- )，男，在讀本科生.指導(dǎo)教師：陳東生(1978- )，男，博士，副教授.研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與研究等.

2016-06-17)