汪琴，王鳳琳，楊郁鑫

（武漢科技大學城市學院，湖北 武漢 430083）

溫差發(fā)電技術是一項基于塞貝克效應，在無需能量轉換介質的情況下，直接將熱能轉化為電能，無消耗、無排放、綠色節(jié)能環(huán)保的技術。常用綠色發(fā)電技術主要是太陽能光伏發(fā)電，水力發(fā)電，風力發(fā)電等，但這些發(fā)電方法對發(fā)電環(huán)境有較大的依賴性，且在能量轉換過程中能量損失較大，而溫差發(fā)電技術不受環(huán)境限制，也沒有能量轉換過程，是一項很有潛力的綠色發(fā)電技術，具有較大的科研和應用價值[1,2]。

溫差發(fā)電技術對能源品位沒有要求，這對于我國大量的工業(yè)余熱的回收和利用，尤其是對于回收率極低的低溫余熱資源，應用前景可觀[3,4]。本文從考慮將溫差發(fā)電技術應用在工業(yè)低品位余熱廢熱回收利用的角度出發(fā)，試圖設計并制作一套溫差發(fā)電裝置，實現將低溫差轉換為電能。

1 發(fā)電裝置的工作原理

塞貝克效應是將兩種不同的金屬進行連線，并將連線的一結點置于高溫狀態(tài) T1（熱端），而另一端處于開路且處于低溫狀態(tài)T2（冷端），則在冷端導體的開路位置存在電位差，其值為：

其中，αAB為A和B兩種導體的相對塞貝克系數，通過試驗測得各種材料的seebeck系數，如表1：

表1 常見熱電材料的seebeck系數

2 發(fā)電裝置的設計

半導體溫差發(fā)電片的由P、N兩種不同類型的溫差熱電材料經電導率較高的導流片串聯后，將導流片固定于陶瓷片上形成。

2.1 冷端結構設計

如圖1所示，1為鋁合金外殼，一方面使熱量傳導給熱端，同時加快冷端散熱。2為蓄電池，將電量儲存，以便靈活使用。3為穩(wěn)壓模塊，保證輸出電壓的穩(wěn)定。4為溫差發(fā)電模塊，由多片半導體發(fā)電片通過串并聯連接在一起，可以根據輸出電流電壓的需求或者發(fā)電裝置的形狀來調整發(fā)電片數量和串并聯方式。5為導熱硅脂，使發(fā)電片的冷、熱端很好的與外殼連接，提高熱傳導效率。6為輸出接口，標準化的輸出接口有利于儲存電能的靈活使用[5]。

圖1 冷端結構設計圖

2.2 熱端結構設計

圖2所示為溫差發(fā)電裝置熱端，其結構與冷端基本一致，唯一區(qū)別為7，7是一層隔熱材料，該材料能保證熱端傳遞而來的熱量不會影響蓄電池、穩(wěn)壓及輸出模塊的正常工作。

圖2 熱端結構設計圖

通過試驗，選擇性價比較高的Bi2Te2作為溫差發(fā)電裝置的熱電材料，串聯雙片溫差發(fā)電片后經過封裝得到簡易的發(fā)電裝置，在熱端溫度為115℃，冷端溫度為51.9℃的條件下，得到輸出電壓為3.01V，電流為0.07A。

3 發(fā)電裝置的性能試驗

為了后續(xù)將裝置應用到工業(yè)低品位余熱廢熱回收利用中[6,7]，分別從不獨立控制冷熱端溫度和獨立控制冷熱端溫度兩個角度出發(fā)，試驗研究該裝置的應用性能。

（1）在不控制冷端溫度的條件下，直接對熱端進行加熱，用電子測溫儀測量出冷熱面的溫差，并測量出不同溫差下的輸出電壓如表2所示：

表2 溫差發(fā)電性能測試試驗的輸出電壓情況

可以看出，輸出電壓隨溫差的增大而增大，當溫差達到最大時，輸出電壓也會達到最大值，而溫差越大，電壓隨溫差增加的趨勢更加明顯。

（2）在獨立控制冷熱兩端溫度的條件下進行試驗，將熱端溫度控制到一個數值，改變冷端溫度以產生溫差，并測量出輸出電壓如表3所示：

表3 變負載條件下輸出電壓情況

圖3 改變冷端溫度條件輸出電壓圖

圖3為與表3對應的折線圖，通過上圖6可以看出，在熱端溫度相同的條件下，冷端溫度的升高將會使發(fā)電電壓的減小，而在溫差相同的情況下，冷端溫度越低，輸出電壓越高。這是因為冷端溫度升高會使得溫差發(fā)電片內阻增大，從而電壓減小。

所以，在實際使用過程中，適當的提高冷熱端的溫差，盡量降低冷端溫度，可以獲得更好的溫差發(fā)電效率。

4 結論

本文基于塞貝克效應，選擇性價比較高的Bi2Te2作為熱電材料，應用溫差發(fā)電技術制作了簡易的溫差發(fā)電裝置，通過試驗，發(fā)現控制冷端溫度能提高發(fā)電效率，這對下一步將裝置進行串并聯改進，并應用到工業(yè)低品位余熱廢熱回收利用有著較大的研究價值。

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