王伟 李港 徐琳珊 李晶晶 李兴 王湘江

温差半导体发电技术的原理主要来源于塞贝克（Seebeck）效应，将P型和N型两种不同类型的热电材料（P型是富空穴材料，N型是富电子材料）一端相连形成一个PN结，置于高温状态，另一端形成低温，则由于热激发作用，P（N）型材料高温端空穴（电子）浓度高于低温端，因此在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就开始向低温端扩散，从而形成电动势，这样热电材料就通过高低温端间的温差完成了将高温端输入的热能直接转化成电能的过程。单独的一个PN结可形成的电动势很小，而如果将很多这样的PN结串联起来，就可以得到足够高的电压，成为一个温差发电器。

我们选取热电转换效率较高的材料，进行实验，具体实验如下所述。

一、实验的物理模型

每种热电材料在一定的温度变化范围内具有较高的热电转换效率，我们在选择实验材料的时候首先考虑了材料的优值系数，最终我们选用Bi2Te3，因为在中低温区域，它的优值系数的平均值高且稳定。

实验模型由1对碲化铋基p-n热电元件、铜制导电片（即电极）和导热基底组成温差发电模块物理模型，结构如图1所示，更高的输出功率可由这样的单元串联得到。p型和n型热电元件均采用长宽高分别为0.7mm、0.7mm、1.2mm的立方体，2种热电元件由铜制导电片（.4mm）串联联结，两原件间隔1mm，上、下陶瓷导热基底（1mm）起绝缘及导热作用，热源和热沉的温度分别为tn=100℃（沸水加热）和tc=0℃（冰水混合物水冷系统）。

二、实验测试

为验证物理模型，本文建立了简易的实验测试装置。该装置包含比例积分微分（PID）热电器件、电加热板、可调负载电阻、循环水冷却单元（包括储水箱、循环泵、热沉（水冷头））、热电偶和测温仪表、电压计和电流计、导电线路等，其基本结构如图2所示，热电器件采用商用TEHP1-12635-1.2 型，通过调节冷却水的流量实现冷端温度的控制。设置数值计算中单元模块几何构型与商用器件的相同，单元模块输出功率的计算结果乘以商用器件中的单元数量（126 对）即为实际输出功率。

图3所示为冷、热端温度分别约为tC=0 ℃和tH=100 ℃，同时为使装置能够输出一个稳定的功率，我们施加扰动电压U；若功率减小，说明扰动电压的方向相反，需调整扰动电压的施加方向和大小。依据此方法反复施加扰动电压并对其进行调整，最终使发电装置的输出功率处于一个动态的平衡。

匹配负载电阻的理论阻值为2.35 Ω，实验测试结果为2.82 Ω，导致理论的输出功率大于实验测试结果，其中的因素有以下几点：

（1）物理模型中电阻存在随温度变化阻值改变的影响，导致理论结果偏高。

（2）实验中热电器件的固定采取导热胶粘结的方式，热阻较大，且难以保证温度分布均匀，热电器件两端的实际温差要小于热电偶直接测得的温差。

三、实验结果分析

在对新型半导体温差发电的物理模型的结构参数（包括热电元件长度、面积和导热基底厚度）对输出功率和能量转化效率的影响进行了实验测试后，分析结果得到：

（1）对于最大输出功率，热电元件的最优长度在0.075～0.125 mm 范围内，能量转化效率随着热电元件长度的减小而提高。随着热电元件长度的增加，最大输出功率呈现先增大后减小的趋势，而最大能量转化效率则不断减小。

（2）输出功率随热电元件截面积的增大而增大，面积比功率和能量转化效率则缓慢下降。热电元件截面积增加时，元件热阻变小，整体优值下降，因此能量转化效率将减小，在所研究的范围内减小缓慢；同时从元件热端流入的传导热流增加，因此输出功率将增大，而截面积更小的热电元件则具有更高的面积比功率。

（3）陶瓷导热基底越厚，温差发电模块整体热阻越大，同时热电元件两端温差将减小，Seebeck 电动势减小，因此输出功率将会下降；盡管从模块热端吸入的热流也会减小，但与功率下降幅度相比，热流减小幅度较小，因此能量转化效率也在不断减小。

产品应用前景：

随着科学技术的发展以及能源危机的日益迫切各国在利用温差进行低品位热能发电方面加大了研究力度，温差发电技术在节能领域的应用不断扩展。

（1）随工业化进程的加快，各种制造业和加工业等生产过程中产生的废气和废液成倍增加，其中的余热相当可观，工业余热的合理利用是解决能源短缺问题的一个重要方面。利用温差发电技术进行工业余热的发电，可降低成本，提高能源的利用率，可带来巨大的经济效益，并能改善环境。

（2）随着我国汽车工业的发展，车辆消耗的能源与日俱增，车辆的节能也越来越受关注。然而，以现有的内燃机指标评估，燃油中 60 %左右的能量没有得到有效利用，绝大部分以废热的形式排放到大气中，造成了巨大的经济损失和严重的环境污染。因此，利用发动机余热发电是一个很好的节能途径。近年来，车用发动机余热温差发电技术发展很快，转换规模在数百瓦至几千瓦之间。

（3）传统的能源以化石能源为主，面临来源枯竭和污染环境的挑战。而太阳能、海洋能、地热能等新能源是大自然赋予人类的取之不尽、用之不竭的环保能源。具有诸多优点的温差发电技术能够直接将上述新能源转化为电能，大大简化了发电系统的结构，将获得可观的经济和社会效益。

参考文献：

[1]何元金，陈 宏，陈默轩.温差发电——一种新型绿色的能源技术[J].工科物理，2000（2）：36-41.

[2]苑中显.中国能源状况与发展对策[J].中国冶金，2005（5）.

[3]高 敏，张景韶，（英）ROWE D M.温差电转换及其应用[M].北京：兵器工业出版社，1996.