基于塞貝克效應的熱電轉換裝置的研究

劉興云　楊火祥　付晶晶　劉夢輝　翟儉超　魯池梅湖北師范學院 物理與電子科學學院　湖北黃石　435002

?

基于塞貝克效應的熱電轉換裝置的研究

劉興云楊火祥付晶晶劉夢輝翟儉超魯池梅
湖北師范學院 物理與電子科學學院湖北黃石435002

【文章摘要】

自21世紀以來，能源危機越來越嚴重，進而成為人類越來越關注和需要解決的首要問題。把人類生產生活中所廢棄的熱能很好的進行利用，無疑可以在一定的程度上緩解日益嚴重的能源危機。熱電轉換裝置則是一種把人們生活中所浪費的熱能收集起來，利用塞貝克效應轉換成電能并將其電壓穩定然后供給移動設備或儲能設備。提高能源的利用率，實現節能的理念。

【關鍵詞】

熱電轉換；穩壓電源；塞貝克效應；節能

0　引言

自21世紀以來，能源問題越來越成為人類需要解決的首要問題。把人們生活生產中廢棄的熱能利用起來，無疑可以在一定程度上緩解能源危機。熱電轉換裝置正是把人們廢棄的余熱（空調、汽車等的熱能）進行充分利用供設備使用，提高了能源的使用率，實現了節能的理念。

1　系統方案

塞貝克效應表明將半導體A（N型半導體）和B（P型半導體）的兩端相互緊密接觸組成環路，在兩連接處保持不同溫度T1與T2，則在環路中將由于溫度差而產生溫差電動勢。熱電轉換片是利用賽貝克效應做成的一種裝置，當熱電轉換片兩端溫度不同時，就會在熱電轉換片兩端產生溫差電動勢。若熱電轉換片的一端利用廢棄的余熱加熱，另一端是常溫，就會產生溫差電動勢。本系統正是利用這種溫差電動勢提供電能達到熱能利用的目的。

圖1　系統框圖

圖2　塞貝克效應原理圖

圖3　穩壓電路圖

整個系統由熱電轉換部分、穩壓模塊和儲能模塊三部分組成。熱電轉換部分由16片熱電轉換片串聯，在熱電轉換片一端接觸儲水箱，水箱內部熱水提供熱端溫度（模擬熱端熱源），熱電轉換片另一端與空氣接觸作為冷端溫度室溫，并且在冷端使用散熱片，根據塞貝克效應，當冷熱端產生溫差就會在回路中產生電動勢進而產生電流。產生的電流經過穩壓模塊將輸出電壓穩定在5V。可以供手機充電使用，或者供儲能設備將能量儲存起來。更好的將能源利用。

2　系統實施

2.1儲水箱實現溫差

用鋁合金制作長方體儲水箱，將熱水倒入儲水箱便可模擬冰箱、空調等發生余熱的電器，水箱內部溫度與外界溫度形成溫差，便可利用塞貝克效應進行發電工作。

2.2熱電轉換片

熱電轉換片由很多溫差電偶組成，溫差電偶由許多N型半導體(一種摻雜后，會放出自由電子的半導體)和P型半導體（一種摻雜后，會放出空穴的半導體）顆粒互相排列而成，而NP之間以一般的導體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導體，最后由兩片陶瓷片像夾心餅干一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導熱良好的一個熱傳遞的工具。

由于使用金屬作為材料一般賽貝克系數不會很理想，我們就使用半導體材料來作為冷端和熱端，以達到更高的電動勢。將N型半導體和P型半導體串聯起來，當N型半導體放在熱端，P型半導體放在冷端時，就會產生電流，進而產生電壓。

實驗研究發現，電動勢的大小和兩接點間的溫差有關，可表示為如下關系式（1）

Vab=a1(Tb-Tc)+(a2/2)(Tb-Tc)2+L（1）

根據公式，我們可以采用升高熱源溫度和降低冷端溫度的辦法來提高電動勢。熱源我們采用水箱里的水，冷源我們使用散熱片來盡可能的使溫差電偶的冷端溫度達到室溫。

2.3穩壓電路

如圖3，JP1兩端連接熱電轉換片，閉合開關S1后，JP1兩端電壓經過7805轉換使電壓穩定在5V，可以直接給其他設備供電。

2.4儲能裝置

儲能裝置的目的是將系統產生的電能儲存起來，在本系統中儲能裝置使用的是鋰電池，系統給鋰電池充電，鋰電池充電之后可以直接供給其他設備用電，比如給手機充電等。

3　實驗結果

經測量，當儲水箱內部與外部溫差達到26℃時，便可輸出5V電壓，輸出的電壓經過變換后可以供手機等移動設備使用，當儲水箱內外溫差達到60℃時，便可輸出12V電壓。

圖5　輸出電壓隨溫差成線性變化圖

4　結束語

溫差電偶不需要任何制冷劑，故無泄漏，對環境無污染，可連續工作。本作品沒有旋轉部件，不會產生回轉效應。溫差電偶沒有滑動部件是一種固體片件，因而工作時無震動，無噪聲，無磨損、壽命長，安裝容易，可靠性高。溫差電偶尺寸小，重量輕，適合小容量、小尺寸的特殊的制冷環境。它把人們生活中無意浪費的少量熱能進行利用而獲得電能供設備使用。熱電轉換裝置僅由制冷片和簡單的電路構成，容易控制，調節方便，實用性強，壽命長，可長期使用，性價比高。

圖6　作品實物圖

【參考文獻】

[1]朱建軍,李震,張興.熱電器件綜合性能表征系統及實驗研究[J].工程熱物理學報,2013,13(1):133-136.

[2]陳國慶,寧鐸,梁棟平,文婷.半導體溫差發電實驗儀器的研制[J].電子器件,2014,37(2):275-278.

[3]王長宏,林濤,曾志環.半導體溫差發電過程的模型分析與數值仿真[J].物理學報,2014,63(19):197201,1-197201,6.

[4]鐘峰,唐緒偉,唐晨光.一種智能型火災煙霧探測與報警系統設計[J].電子制作,2015,20(3):3.

劉興云（1973-）（通訊作者），男，湖北安陸人，副教授，碩士生導師，主要從事物理實驗教學與研究工作。

【作者簡介】

基金項目：湖北省教育廳科學研究計劃項目（B20132506,XD2014237,D20132505 ,B20132504）。