半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的性能測(cè)試半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的性能測(cè)試梁高衛(wèi)1、2，周孑民1，黃學(xué)章1，徐冰1，張韜1梁高衛(wèi)1、2，周孑民1，黃學(xué)章1，徐冰1，張韜1（1：中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙，410083；2：邵陽(yáng)學(xué)院，邵陽(yáng)，422000）（1：中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙，410083；2：邵陽(yáng)學(xué)院，邵陽(yáng)，422000）摘 要：摘 要：介紹了溫差發(fā)電器的基本原理，并對(duì)已有的溫差發(fā)電器進(jìn)行了性能測(cè)試，盡量減小的外界的影響，測(cè)試精度較高，測(cè)試結(jié)果與塞貝克效應(yīng)吻合。介紹了溫差發(fā)電器的基本原理，并對(duì)已有的溫差發(fā)電器進(jìn)行了性能測(cè)試，盡量減小的外界的影響，測(cè)試精度較高，測(cè)試結(jié)果與塞貝克效應(yīng)吻合。關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電器；性能；測(cè)試1. 引言2. 引言根據(jù)塞貝克效應(yīng)，半導(dǎo)體溫差發(fā)電器能夠直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能，由于其沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)震動(dòng)無(wú)噪音無(wú)泄露、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，溫差發(fā)電技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于航天、國(guó)防、醫(yī)學(xué)和科技等領(lǐng)域1。近年來(lái)，隨著節(jié)能技術(shù)的不斷發(fā)展，將半導(dǎo)體溫差發(fā)電器用于低品味熱源的余熱回收成為發(fā)達(dá)國(guó)家的研究熱點(diǎn)，如：美國(guó)研究了利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的余熱進(jìn)行發(fā)電；日本正研究利用垃圾焚燒后產(chǎn)生的熱能進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)等2。目前國(guó)際上已經(jīng)有了一些較為成熟的溫差發(fā)電民用產(chǎn)品，而我國(guó)盡管有部分高校和研究機(jī)構(gòu)在從事該方向的研究，但在將溫差發(fā)電技術(shù)用于民用幾乎還是個(gè)空白3。對(duì)溫差發(fā)電器的性能研究是開(kāi)發(fā)溫差發(fā)電產(chǎn)品的基礎(chǔ)，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)溫差發(fā)電器的研究主要集中在溫差電材料的研究及溫差發(fā)電器的熱電偶單體的研究，對(duì)發(fā)電器整體熱電性能的研究還比較少。本文著重介紹了溫差發(fā)電器的基本原理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試溫差發(fā)電器的溫差電性能，并驗(yàn)證溫差發(fā)電器發(fā)電過(guò)程中的一些基本規(guī)律。3. 溫差發(fā)電器的基本原理塞貝克效應(yīng)4是熱能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象。如圖1所示，對(duì)于兩個(gè)不同的導(dǎo)體串聯(lián)組成的回路，如果兩個(gè)接頭1和2維持在不同的溫度和，則在導(dǎo)體b的開(kāi)路位置y和z之間，將會(huì)有個(gè)電位差出現(xiàn)，其數(shù)值為：其中，為塞貝克系數(shù)。圖1 塞貝克效應(yīng)示意圖當(dāng)溫差不是很大的時(shí)候，可以認(rèn)定塞貝克系數(shù)為常數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中的溫差發(fā)電器中，通常是按照如圖2所示的方式，用金屬導(dǎo)流片（通常是用銅做導(dǎo)流片材料）將P型和N型的半導(dǎo)體熱電材料連接后，固定在氧化鋁陶瓷基板上。當(dāng)上下兩塊氧化鋁陶瓷板上存在溫差時(shí)，會(huì)在圖示的負(fù)載兩端施壓一個(gè)電壓，其作用就是一個(gè)發(fā)電器。圖2 溫差發(fā)電器簡(jiǎn)單模型1導(dǎo)流片 2氧化鋁陶瓷片 3半導(dǎo)體溫差電材料4. 溫差電性能測(cè)試半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的電氣性能主要包括：開(kāi)路電壓、溫差、內(nèi)阻、輸出功率等，為便于測(cè)試，首先要搭建一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。3.1 搭建實(shí)驗(yàn)裝置為準(zhǔn)確測(cè)試半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的性能，按照如圖3所示搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。圖3 溫差發(fā)電器性能測(cè)試示意圖實(shí)驗(yàn)裝置包括三個(gè)部分，分別為加熱部分、冷卻部分和測(cè)試部分。在加熱部分，利用加熱板給溫差發(fā)電器的熱端加熱，通過(guò)控制加載在加熱板上加熱絲的電壓，來(lái)控制發(fā)電器熱端的溫度，即控制。在冷卻部分，利用水冷方式來(lái)對(duì)發(fā)電器冷端進(jìn)行冷卻，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水的溫度和流量來(lái)控制發(fā)電器冷端的溫度，即控制。在測(cè)試部分，溫度和均采用鎳鉻康銅熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)溫范圍為0800，精度為0.1。電壓V和電流I均采用Agilent U1252A萬(wàn)用表測(cè)試。為盡量減小測(cè)試過(guò)程中系統(tǒng)受對(duì)流、輻射等影響，冷卻部分和加熱部分均封閉在用隔熱材料包裹的環(huán)境中。為減小接觸熱阻的影響，在溫差發(fā)電器熱端與加熱板、冷端與冷卻板之間涂上高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱膏。3.2 空載性能測(cè)試在圖3的實(shí)驗(yàn)裝置中，測(cè)試單片熱電發(fā)電器的性能，熱電發(fā)電器采用廈門納米克公司生產(chǎn)的熱電片，型號(hào)為TEP1-1264-1.5，外形尺寸為40*40*4.1mm，內(nèi)部為126對(duì)Bi2Te3熱電偶，Bi2Te3熱電材料為目前在室溫范圍內(nèi)使用最廣泛的溫差電材料5。將開(kāi)關(guān)K的位置打到1，將溫差發(fā)電器冷端的溫度恒定到300K，同時(shí)不斷緩慢升高熱端溫度，使得從300K不斷升高到400K；即在冷端溫度恒定的時(shí)候，提高溫差發(fā)電器的溫差。同時(shí)測(cè)試發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)路電壓V，此電壓將隨著的改變而改變。圖4是溫差發(fā)電器開(kāi)路電壓與溫差的關(guān)系曲線圖。圖4 溫差發(fā)電器開(kāi)路電壓與溫差的關(guān)系曲線圖根據(jù)塞貝克效應(yīng)可以知道，在溫差不大的情況下，塞貝克系數(shù)可以認(rèn)定為常數(shù)，故開(kāi)路電壓和溫差成線性關(guān)系。由圖4可以看出，除去測(cè)量誤差及外界的影響，溫差發(fā)電器的開(kāi)路電壓和溫差成線性關(guān)系。即通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了塞貝克效應(yīng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得出，對(duì)于單片TEP1-1264-1.5熱電片，其開(kāi)路電壓和溫差滿足關(guān)系式：（ 1(1)Sd。有圖5可以看出，在帶有負(fù)載的情況下，負(fù)載電壓與溫差成線性關(guān)系。由圖6可以知道：當(dāng)時(shí)，負(fù)載功率最大，由此可以得出一片TEC1-12706溫差發(fā)電器的內(nèi)阻，而廠家提供的熱電器的內(nèi)阻為，也就是說(shuō)可以利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)間接地測(cè)試溫差發(fā)電器的內(nèi)阻。5. 結(jié)論設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)溫差發(fā)電器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：溫差發(fā)電器的溫差和開(kāi)路電壓成線性關(guān)系；當(dāng)負(fù)載阻抗等于發(fā)電器的內(nèi)阻時(shí)，溫差發(fā)電器具有最大的輸出功率。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與塞貝克效應(yīng)一致。參 考 文 獻(xiàn)1. S B Riffat , Xiaoli Ma.Thermoelect rics: a review of present and potential applications J . Applied Thermal Engineering. 2003 ,23 :91329352. 欒偉玲，涂善東.溫差電技術(shù)的研究進(jìn)展.科學(xué)通報(bào).第49卷 第11期.2004年6月3. 鄭文波，王禹，吳知非，黃志勇，周世新.溫差發(fā)電器熱電性能測(cè)試平臺(tái)的搭建.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理.第23卷，第11期.2006年11月4. 高敏，張景韶，D.M.Rowe.溫差電轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用.兵器工業(yè)出版社.1996年.795. 劉宏，王繼揚(yáng).半導(dǎo)體熱電材料研究進(jìn)展.功能材料.2000 31（2）Properties Testing of semiconductor thermoelectric genertorGaowei LIang1、2，Jiemin Zhou1，Xuezhang Huang1，Bing Xu1，Tao Zhang1（1：School of Energy Science and Engineering ,Central South University，Changsha，410083；2：Shao Yang University，Shaoyang，422000）Abstract:Introducing the principle of semiconductor thermoelectric genertor, and electrical propreties of semiconductor thermalelectric genertor is tested, and the external im