半導體溫差發電裝置的性能研究*

胡 狀 李仲儀 劉炳鍵 劉 丹 董 臣 陳東生*

(上海電力學院數理學院 上海 200090)

半導體溫差發電裝置的性能研究*

胡 狀 李仲儀 劉炳鍵 劉 丹 董 臣 陳東生*

(上海電力學院數理學院 上海 200090)

溫差發電是一種綠色環保的發電技術，它可以直接將熱能轉化為電能.該技術具有體積小、重量輕、移動方便和可靠性高等特點．它可以利用太陽能、地熱能、海洋溫差、余熱和廢熱等熱能進行能量的轉換．作為一種替代選擇，溫差發電技術具有巨大的潛力和良好的發展前景．

溫差發電技術 賽貝克效應 熱力學第一定律 轉換效率

1 引言

21世紀的世界正在以前所未有的速度發展著，然而這背后卻潛藏著巨大的危機——能源危機．經濟飛速發展的同時意味著人類對能源需求的劇增，然而據《BP世界能源統計2007》估計，按照目前的使用狀況,全球石油還可開采42年，天然氣還可開采63年，煤炭還可開采295年.因此本世紀的人類正面臨著一次勢在必行的能源革命[1]．

隨著世界人口能源危機、環境污染的日益加劇.人類對能源的需求日益增加，迫切需要一種新型能源來替代傳統能源．隨著科技的進步，太陽能、風能、溫差能等能源受到越來越多的重視和利用發展[2]．

溫差發電技術是一種綠色環保的發電方式，主要是利用塞貝爾效應，將熱能直接轉換為電能[3]．溫差發電具有結構簡單、堅固耐用、無運動部件、無噪音的特點．作為一種綠色環保的發電方式，近年來溫差發電的應用發展迅速，盡管目前溫差發電的效率普遍較低，但隨著新型高性能熱電材料以及性能可靠的溫差發電器的研究與開發，溫差發電技術將會更大地發揮其在低品位能源利用發面的優勢[4]．

2 實驗原理和內容

溫度傳感器測量溫差發電片的吸熱面Thot和散熱面Tclod兩端的溫度，通過數據采集器將數據傳輸到PASCO Capstone軟件，電壓電流傳感器測量負載電阻兩端的電壓U和通過負載電阻的電流I．吸熱面和散熱面兩端溫度差(ΔT)和直流電源和溫差發電片的輸出功率(P)，可以由下面的公式求得

ΔT=Thot-Tclod

(1)

P=UI

(2)

在熱力學中，系統發生變化時，設與環境之間交換的熱為Q(吸熱為正，放熱為負)， 與環境交換的功為W(對外做功為負，外界對物體做功為正)，可得熱力學能(亦稱內能)的變化為

E=Q+W

(3)

Q=cmΔT

(4)

上式中Q為系統能量的變化，m為系統的質量(本實驗中溫差發電片采用鋁片為基本材料)，c為材料的比熱容[鋁的比熱容約為0.90 J/(g·℃)]，ΔT為溫差發電裝置兩端的溫度差(ΔT=Thot-Tclod)．

在熱泵模式時，溫差發電裝置能量變化如圖1所示.

圖1 熱泵模式時能量傳遞

溫差發電裝置儲存能量，由熱力學第一定律可得

Qhot=Qclod+W

(5)

式中，W為裝置做的功(等于功率時間曲線中功率曲線與時間軸形成的面積)；Qhot為高溫端溫度變化；Qclod為低溫端溫度變化．

在熱機模式(溫差發電模式)中，由熱力學第一定律可得

Qclod-Qhot=W

(6)

式中，W為裝置做的功(等于功率時間曲線中功率曲線與時間軸形成的面積)；Qhot為高溫端溫度變化；Qclod為低溫端溫度變化．

圖2 熱機模式能量傳遞

裝置的能量轉換效率

(7)

公式W中為功率時間曲線中曲線與時間軸所包圍面積．

溫差發電裝置的能量利用率

(8)

式中，W1表示在熱泵模式中電路對溫差發電裝置所做的功(在熱泵模式段功率時間曲線中曲線與時間軸所包圍面積)；W2表示溫差發電模式的電路輸出功率(熱機模式段功率時間曲線中曲線與時間軸所包圍面積)．

3 實驗數據的測量及分析

3.1 實數數據

通過電壓表和電流表，測試溫差裝置兩端溫度差為3℃和12℃時的實驗數據如表1和表2所示.

表1 溫差裝置兩端溫度差為3℃時的實驗數據

表2 溫差裝置兩端溫度差為12℃時的實驗數據

3.2 實驗數據的分析

根據實驗數據繪制電壓、電流、功率隨電阻變化的曲線，如圖3所示.

(a)輸出功率隨電阻變化曲線

(b)電流隨電阻變化曲線

(c)電壓隨電阻變化曲線

經過實驗測試，在一定溫差定范圍內溫差發電組件的輸出電壓隨溫差的不斷增大而相應增加，隨負載的逐漸增大而相應增加；在相同的溫差條件下，溫差發電組件的輸出電流跟隨負載的增加而逐漸下降．

4 實驗結論

在對溫差發電裝置的特性探究中，通過對相同輸出負載不同溫差、相同溫差同輸出負載的對比分析，和溫差發電裝置特性探究中，可以得到如下結論：

(1)在給裝置一個相同初始溫差，在對不同的輸出負載分析中，對數據的分析比較可以得到，在實驗誤差允許的情況下，利用溫差發電裝置，在熱泵模式和熱機模式時均可驗證熱力學第一定律．

(2)在相同輸出負載和不同溫差特性探究中，通過對3組數據的計算分析可以得出，溫差發電裝置的整個能量轉換效率比較低、且能源利用效率更加的偏低．

(3)在一定范圍內溫差發電組件的輸出電壓隨溫差的不斷增大而相應增加，隨負載的逐漸增大而相應增加．在相同的溫差條件下，溫差發電組件的輸出電流跟隨負載的增加而逐漸下降．在相同的溫差條件下，溫差發電組件的輸出功率近似于一條拋物線．

1 方祖捷,陳高庭,葉青，等.太陽能發電技術的研究進展.中國激光,2009,36(1):5～14

2 曹懷術,廖華,巍一鳴.2010年中國能源流分析.中國能源,2012,34(4):29～31

3 周宏春.對低碳背景下中國能源戰略的若干思考.中國能源,2012,34(5):5～11

4 夏凱.汽車發動機廢氣余熱熱電轉換裝置結構優化設計:[碩士學位論文].武漢:武漢理工大學,2011

**上海市大學生科研創新、國家大學生科研創新基金資助.作者簡介：胡狀(1991- )，男，在讀本科生.指導教師：陳東生(1978- )，男，博士，副教授.研究方向：新能源發電技術，綜合性、設計性實驗的開發與研究等.

2016-06-17)