溫差發電元件串并聯性能實驗

夏曉康，李　燦，袁先葑，陳笑笑

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

溫差發電元件串并聯性能實驗

夏曉康，李燦，袁先葑，陳笑笑

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

為降低數據機房的能源消耗，研究了溫差發電技術回收利用數據機房低溫余熱的裝置設計，并通過搭建的小型溫差發電模擬裝置進行了實驗研究，得到了不同數目溫差發電片的熱電模塊在不同溫差下的短路電流、開路電壓和負載功率的實驗數據。分析結果表明：溫差發電片按串聯、并聯方式連接的短路電流和開路電壓均隨溫度差和連接溫差發電片數目的增加而增加；低溫差條件下，所設計的小型溫差發電模擬裝置不考慮接觸熱阻時，熱電模塊的內阻為100左右；10～20 ℃的溫差可以作為數據機房用于回收利用低溫廢熱的溫差發電裝置工作溫度。

溫差發電；數據機房；低溫廢熱

0　引言

溫差發電技術是指利用半導體材料的熱電性能將熱能直接轉換為電能的發電技術，由溫差發電片組成的溫差發電裝置具有輕便、無機械運動部件、環保安全等特點。關于溫差發電技術最早的應用，是Maheawan利用置于屋頂的鋼板吸收太陽能集熱升溫與周圍環境之間的溫度差進行發電，并將所得電能帶動軸流風機，引導屋頂的空氣自然對流，從而實現給屋頂降溫［1-2］。溫差發電技術最初主要被應用于航空、軍事等領域中［1］，然而隨著人們對熱電材料的性能以及溫差電組件可靠性的不斷深入研究，科研工作者們發現溫差發電是合理利用太陽能、地熱能、海洋溫差、余熱和廢熱等熱能轉化為電能的有效方式［2］，因而其應用范圍越來越廣泛。

目前，我國對于溫差發電技術的應用研究主要集中于高溫煙氣顯熱、燃燒過程中余熱的利用，以及汽車尾氣等廢熱的回收利用等方面，設計了較多的溫差發電裝置模型［1，3-5］，并利用這些模型進行熱力學分析和數值計算模擬。

數據機房用于互聯網數據存儲、備份和通信業務，其需要消耗大量的電力：一座中小型的數據中心機房，其耗電量可輕易超過一座小型水泥廠或鋼廠的耗電量。數據中心機房的能源消耗主要包括如下幾個方面：IT設備的能源消耗、冷卻系統的能源消耗、照明以及電氣等的能源消耗。數據中心機房IT設備的散熱量大且熱密度較為集中、設備散濕量小，為了能保證數據中心機房的正常使用，其冷卻系統的能源消耗將達到整個數據中心機房所有能源消耗的40%左右［6-7］。因而降低數據中心機房冷卻系統的能源消耗是當前信息現代化建設中的一大難題。以溫差發電裝置回收利用數據中心機房的低溫余熱產生的電， 可供給機房冷卻系統以及部分的IT設備使用，從而有效降低數據中心機房的能源消耗。然而在已有溫差發電技術的相關文獻中，低中溫余熱和廢熱回收利用的設計模型不多見［8］，尤其是關于數據機房低溫余熱回收利用方面的文獻和相關的實驗數據還比較欠缺，因此，研究溫差發電裝置回收利用數據機房低溫余熱具有重要的現實意義。本研究擬對溫差發電技術回收利用數據機房低溫余熱的裝置進行設計，并且通過搭建的小型溫差發電模擬裝置進行實驗研究，以期為降低數據機房的能源消耗提供一定的理論參考數據。

1　數據機房中溫差發電裝置的設計

為維持數據機房正常的工作溫度，應使用冷卻系統帶走IT設備產生的大量低溫廢熱。冷卻系統帶走的熱量可以與低溫廢熱回收利用裝置進行熱交換，作為溫差發電裝置的低溫廢熱熱源。由于實際情況的不同，數據中心機房的溫差發電裝置熱電模塊冷端可以選取不同的散熱方式，主要有自然對流風冷、強迫對流風冷和水冷3種形式［8］。

當溫差發電裝置中熱電模塊的冷熱兩端存在合適的溫度差時，即可以產生直流電壓，經過直流穩壓元件、逆變元件和升壓元件等的處理，可以將產生的直流電壓轉變為220 V/380 V的交流電或者儲蓄在鉛蓄電池組中，用以供給數據機房的冷卻系統、照明系統以及部分IT設備使用，從而降低數據中心機房的能源消耗。

2　實驗方法與內容

2.1實驗方法

本文通過設計一個小型溫差發電裝置，并利用其模擬數據中心機房的低溫廢熱回收利用，具體的模擬裝置結構如圖1所示。

圖1　小型溫差發電模擬裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram for the simulation equipment of small thermoelectric power generation

如圖1所示，所設計的小型溫差發電模擬裝置中，以石英加熱管作為低溫余熱熱源，模擬從數據中心機房回收的低溫余熱，并且利用這些余熱加熱裝置上方的薄鋼板。為能提供更為基礎的實驗數據，實驗過程中，對于溫差發電裝置的冷端散熱，采用自然對流風冷形式。

實驗用小型溫差發電裝置主要由如下3個部分構成：

1） 側面。裝置的側面采用4塊500 mm×500 mm規格的耐高溫透明聚碳酸酯板拼接而成。

2） 底部。裝置的底部以方形鋁管為基座，并且放置2根功率為500 W的石英加熱管，以其為數據中心的散熱源。

3） 頂部。裝置頂部以薄鋼板作為溫差發電片的熱端接觸面。頂部的薄鋼板在實驗前進行如下處理，首先，在鋼板上噴一層厚度為50 mm的聚氨酯膨脹劑，待膨脹劑干燥固定后，將其部分聚氨酯膨脹劑剔除，形成如圖2所示的條形方槽，用于放置尺寸大小為40 mm×40 mm的溫差發電片。小型溫差發電裝置最多可以放置60片溫差發電片。

圖2　溫差發電片布置條形方槽示意圖Fig. 2　The schematic diagram of thermoelectric generator arranged in the bar groove

本實驗中，選用型號為SP1848-27145的溫差發電片，其使用溫度范圍為-40～150 ℃。實驗過程中，溫差發電片冷熱兩端的溫度差恒定，熱端溫度即為溫差發電片與鋼板接觸面的溫度，冷端溫度即為實驗環境的溫度。

2.2實驗內容

單個溫差發電片的轉換效率較低，而將多個溫差發電片通過串聯或并聯的方式連接起來，所組成的熱電模塊可以大大提高發電片的轉換效率。當前對于溫差發電片的材料物性參數隨溫度的變化關系已有較多研究［3］，本研究僅需進一步研究其最佳發電性能與冷端、熱端溫度之間的關系，進而選擇合適的工作溫度，使熱電模塊最大限度地發揮其功效［4］。因此，本實驗主要研究不同片數的溫差發電片按串聯或并聯2種方式連接的熱電模塊，在不同溫度差下的開路電壓、短路電流等特性和不同負載下的功率變化情況。以探索數據中心機房用于回收利用低溫廢熱的溫差發電裝置熱電模塊的合適工作溫度。

實驗過程中，室內的環境溫度維持在25 ℃，通過不斷改變熱電模塊熱端的溫度，即通過控制石英加熱管的啟動與停止來改變薄鋼板的溫度，從而改變并恒定熱電模塊兩端的溫度差。溫差發電裝置回收利用的是低溫廢熱，在熱電模塊熱端的溫度不會很高［5］。因此，實驗過程中設計的熱電模塊熱端溫度分別為30， 35， 40， 45， 50， 55 ℃，即在熱電模塊冷熱兩端形成5， 10， 15， 20， 25 ℃的溫度差。使用萬用表，分別測量10， 20， 30， 40， 50， 60片溫差發電片串聯和10片與10片、20片與20片、30片與30片溫差發電片并聯，所組成的熱電模塊的開路電壓和短路電流；并在分別接入20～180負載后，測量其電路中的直流電流以及負載的功率。

每次實驗所使用的溫差發電片的數目和連接方式都相同，通過改變熱電模塊熱端的溫度，測量熱電模塊的開路電壓和短路電流，以及不同負載下的直流電流和功率，共設計了9次實驗。

3　實驗結果與分析

3.1短路電流

實驗所得熱電模塊在不同溫差條件下的短路電流數據見表1。

表1　不同溫差下的短路電流實驗數據Table 1　The experimental data of the short-circuit current under different temperature differences mA

為便于分析，根據表1所示實驗結果數據，對不同數目溫差發電片熱電模塊在不同溫差下的短路電流進行圖形處理，得到如圖3所示熱電模塊在不同溫差下的短路電流變化曲線。

圖3　不同溫差下熱電模塊的短路電流變化曲線Fig. 3　The variation curves of the short-circuit current of thermoelectric module under different temperature difference

分析表1中的數據和圖3中的曲線，可以得知，不同數目溫差發電片按串聯、并聯方式連接的熱電模塊的短路電流均隨著溫度差的增加而增大，且不同數目溫差發電片的短路電流隨溫度差的變化趨勢基本一致。在相同溫度差下，溫差發電片以并聯方式連接得到的短路電流比同等片數溫差發電片以串聯方式連接得到的短路電流大，且其增長速率也大，即溫差越大，并聯方式與串聯方式的短路電流差值越大。因此，實際操作過程中，應根據電路對直流電流和直流電壓需求的不同，選擇合適的溫差發電片數量及連接方式。

3.2開路電壓

實驗所得熱電模塊在不同溫差條件下的開路電壓數據見表2。

表2　不同溫差下的開路電壓實驗數據Table 2　The experimental data of the open-circuit voltage under different temperature differences V

為便于分析，根據表2所示實驗數據結果，對不同數目溫差發電片熱電模塊在不同溫差下的開路電壓進行圖形處理，得到如圖4所示的熱電模塊在不同溫差下的開路電壓變化曲線。

圖4　不同溫差下熱電模塊的開路電壓變化曲線Fig. 4　The variation curve of the open-circuit voltage of thermoelectric module under different temperature differences

分析表2中的數據和圖4中的曲線，可以得知：不同數目溫差發電片按串聯、并聯方式連接的開路電壓基本上隨著溫度差和連接溫差發電片數目的增加而增大，且不同數目溫差發電片的開路電壓隨著溫度差的變化趨勢存在較大的差異。

在相同的溫度差下，溫差發電片按串聯方式連接得到的開路電壓比同等片數溫差發電片以并聯方式連接得到的開路電壓大；而溫差發電片并聯得到的短路電流比同等片數溫差發電片串聯的大。因此，應根據對直流電流和直流電壓需求的不同，合理選擇溫差發電片的數量與連接方式。

為了尋找數據機房用于回收利用低溫廢熱的溫差發電裝置熱電模塊的合適工作溫度，對實驗所得到的開路電壓數據在溫度差的方向進行累減生成［9］處理，得到如表3所示的結果。

表3　不同數目溫差發電片在不同溫差下的開路電壓累減生成處理結果Table 3　The accumulated generating operation of the opencircuit voltage of different number of thermoelectric generators under different temperature differences V

分析表3中的數據可發現，經過對實驗數據的累減生成處理，不同熱電模塊的開路電壓在溫差為10～20 ℃之間，變化較大。因此，10～20 ℃的溫差可以作為回收利用數據中心機房低溫廢熱溫差發電裝置的工作溫度區間。

3.3負載功率

以40片溫差發電片按串聯方式組成熱電模塊，分別接入20，60，100，140，180負載后，測量電路中的直流電流及負載的功率，所得熱電模塊在不同負載下的直流電流與功率實驗數據如表4所示。

表4　不同負載下40片溫差發電片串聯的功率實驗數據Table 4　The experimental data of the power of 40 pieces of serial-connected thermoelectric generators under different load W

式中：R為負載阻抗；

r為熱電模塊的內阻。

當R=r時，電路輸出的功率即負載功率最大。

經過對多組實驗數據進行比較可得：不同數目溫差發電片按不同方式連接在不同的溫差下，大部分負載為100時功率最大，即低溫差條件下，熱電模塊不考慮接觸熱阻的內阻為100左右。

表5　不同數目溫差發電片在負載100下的功率實驗數據Table 5　The experimental data of the power of different number of thermoelectric generators with load 100W

表5　不同數目溫差發電片在負載100下的功率實驗數據Table 5　The experimental data of the power of different number of thermoelectric generators with load 100W

溫　度　差/℃發電片設置1 0片串聯2 0片串聯3 0片串聯4 0片串聯5 0片串聯6 0片串聯1 0片與1 0片并聯2 0片與2 0片并聯3 0片與3 0片并聯5 0 . 5 6 1 . 2 8 2 . 2 8 2 . 1 3 0 . 9 0 0 . 4 4 0 . 8 6 2 . 1 3 0 . 9 8 1 0 2 . 4 3 5 . 1 1 7 . 5 6 1 0 . 3 7 1 1 . 8 3 2 . 9 6 2 . 7 9 8 . 6 4 6 . 5 0 1 5 4 . 6 2 9 . 8 0 1 8 . 4 9 2 0 . 0 7 2 1 . 2 5 8 . 5 3 7 . 2 9 1 8 . 5 8 1 3 . 9 9 2 0 1 0 . 8 2 2 3 . 5 2 2 4 . 8 0 4 1 . 0 9 3 5 . 5 2 1 9 . 7 1 9 . 0 6 3 0 . 2 5 3 3 . 7 6 2 5 1 2 . 8 2 2 4 . 2 1 3 9 . 1 9 5 0 . 1 3 4 9 . 7 0 2 6 . 6 3 1 5 . 4 4 3 4 . 5 7 5 1 . 1 2

表6　不同數目溫差發電片在負載100下的功率累減生成處理結果Table 6　The power accumulated generating operation of different number of thermoelectric generators with load 100W

表6　不同數目溫差發電片在負載100下的功率累減生成處理結果Table 6　The power accumulated generating operation of different number of thermoelectric generators with load 100W

溫　度　差/℃發電片設置1 0片串聯2 0片串聯3 0片串聯4 0片串聯5 0片串聯6 0片串聯1 0片與1 0片并聯2 0片與2 0片并聯3 0片與3 0片并聯5 0 . 5 6 1 . 2 8 2 . 2 8 2 . 1 3 0 . 9 0 0 . 4 4 0 . 8 6 2 . 1 3 0 . 9 8 1 0 1 . 8 7 3 . 8 3 5 . 2 8 8 . 2 4 1 0 . 9 3 2 . 5 2 1 . 9 2 6 . 5 1 5 . 5 2 1 5 2 . 1 9 4 . 6 9 1 0 . 9 3 9 . 7 0 9 . 4 2 5 . 5 7 4 . 5 0 9 . 9 3 7 . 4 9 2 0 6 . 2 0 1 3 . 7 3 6 . 3 1 2 1 . 0 2 1 4 . 2 7 1 1 . 1 9 1 . 7 7 1 1 . 6 7 1 9 . 7 7 2 5 1 . 9 9 0 . 6 8 1 4 . 3 9 9 . 0 4 1 4 . 1 8 6 . 9 1 6 . 3 8 4 . 3 2 1 7 . 3 7

分析表6中的數據可知，經過對負載功率實驗數據的累減生成處理，發現不同熱電模塊的負載功率也在溫差為10～20 ℃之間變化較大。根據開路電壓和負載功率的這一結果可知，10～20 ℃的溫差可以作為回收利用數據中心機房低溫廢熱溫差發電裝置的工作溫度區間。

3.4成本回收分析

從表4中的實驗數據可知，小型溫差發電模擬裝置40片溫差發電片串聯在140負載下的最大功率為53.99 W。按照湖南地區大宗工業用電每千瓦時0.66元，若只考慮溫差發電片每片30元成本，并假設其輸出的功率最大，那么40片溫差發電片需要33 676 h，即3.84 a即可回收成本。

如果計入散熱器、穩壓元件、逆變元件等設備和材料，可能需要將近7～8 a的時間回收一套數據機房用溫差發電裝置成本。隨著溫差發電片熱電材料性能的提升和散熱方式多元化以及散熱效果的強化，成本回收時間將會縮短。

4　結論

本文通過搭建的小型溫差發電模擬裝置，并且通過設計的9次實驗，得到了不同數目溫差發電片以串聯或并聯的方式連接所得熱電模塊，在不同溫差下的短路電流、開路電壓和負載功率等實驗數據。通過對數據的分析，可得出如下結論：

1）溫差發電片按串聯、并聯方式連接的短路電流和開路電壓均隨溫度差和連接溫差發電片數目的增加而增大。不同數目溫差發電片的短路電流隨溫度差的變化趨勢一致，而不同數目溫差發電片的開路電壓隨溫度差的變化趨勢存在較大差異。

2）在相同溫度差下，溫差發電片以串聯方式連接得到的開路電壓比同等片數溫差發電片以并聯方式連接的大；溫差發電片以并聯方式連接得到的短路電流比同等片數溫差發電片以串聯方式連接的大。可根據電路對直流電流和直流電壓需求的不同，選擇合適的溫差發電片連接方式。

3）低溫差條件下，本實驗設計的小型溫差發電模擬裝置不考慮接觸熱阻時，熱電模塊的內阻為100左右。

4）對實驗數據的累減生成處理結果表明，不同熱電模塊的短路電流、開路電壓和負載功率在溫差為10～20 ℃之間變化較大。因此，10～20 ℃的溫差可以作為回收利用數據中心機房低溫廢熱溫差發電裝置的工作溫度區間。

5）根據功率理論測算的結果，僅需要7～8 a的時間即可回收一套數據機房用溫差發電裝置，成本回收較快。

以上結論為溫差發電技術在數據中心機房中回收利用低溫廢熱提供了參考依據。

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（責任編輯：廖友媛）

Experiment on the Series and Parallel Connection Performance of Thermoelectric Generator

XIA Xiaokang， LI Can， YUAN Xianfeng， CHEN Xiaoxiao
（School of Civil Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou Hunan 412007， China）

To reduce the energy consumption of data room， the research was made on the equipment design of thermoelectric power generation technology recovering the low-temperature waste heat. Through experimental research of constructing the small thermoelectric power generation simulation equipment， experimental data were achieved about the short-circuit current， open-circuit voltage and the load power for the thermoelectric modules with different number of thermoelectric generators under different temperature. The analytical result shows that the short-circuit current and opencircuit voltage increased with the increment of temperature difference and numbers of thermoelectric generators connected by the series or parallel ways； Under the condition of low temperature difference， the thermoelectric module inner resistance of the designed small thermoelectric power generation simulation equipment is about 100without the consideration of contact resistance； The temperature difference from 10 ℃ to 20 ℃ can be used as the thermoelectric generator working temperature of data room to recycle the low-temperature waste heat.

thermoelectric power generation； data room； low-temperature waste heat

TM619

A

1673-9833（2016）01-0023-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.01.005

2015-10-20

大學生研究性學習和創新性實驗計劃基金資助項目（湘教通［2014］98）

夏曉康（1992-），男，湖南株洲人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為室內空氣品質及建筑節能技術，E-mail：383093527@qq.com

李燦（1968-），女，湖南株洲人，湖南工業大學教授，博士，主要從事室內空氣品質及建筑節能技術方面的教學與研究，E-mail：lc19992@126.com