基于溫差發電的發電裝置的設計與制作

汪琴，王鳳琳，楊郁鑫

（武漢科技大學城市學院，湖北 武漢 430083）

溫差發電技術是一項基于塞貝克效應，在無需能量轉換介質的情況下，直接將熱能轉化為電能，無消耗、無排放、綠色節能環保的技術。常用綠色發電技術主要是太陽能光伏發電，水力發電，風力發電等，但這些發電方法對發電環境有較大的依賴性，且在能量轉換過程中能量損失較大，而溫差發電技術不受環境限制，也沒有能量轉換過程，是一項很有潛力的綠色發電技術，具有較大的科研和應用價值[1,2]。

溫差發電技術對能源品位沒有要求，這對于我國大量的工業余熱的回收和利用，尤其是對于回收率極低的低溫余熱資源，應用前景可觀[3,4]。本文從考慮將溫差發電技術應用在工業低品位余熱廢熱回收利用的角度出發，試圖設計并制作一套溫差發電裝置，實現將低溫差轉換為電能。

1 發電裝置的工作原理

塞貝克效應是將兩種不同的金屬進行連線，并將連線的一結點置于高溫狀態 T1（熱端），而另一端處于開路且處于低溫狀態T2（冷端），則在冷端導體的開路位置存在電位差，其值為：

其中，αAB為A和B兩種導體的相對塞貝克系數，通過試驗測得各種材料的seebeck系數，如表1：

表1 常見熱電材料的seebeck系數

2 發電裝置的設計

半導體溫差發電片的由P、N兩種不同類型的溫差熱電材料經電導率較高的導流片串聯后，將導流片固定于陶瓷片上形成。

2.1 冷端結構設計

如圖1所示，1為鋁合金外殼，一方面使熱量傳導給熱端，同時加快冷端散熱。2為蓄電池，將電量儲存，以便靈活使用。3為穩壓模塊，保證輸出電壓的穩定。4為溫差發電模塊，由多片半導體發電片通過串并聯連接在一起，可以根據輸出電流電壓的需求或者發電裝置的形狀來調整發電片數量和串并聯方式。5為導熱硅脂，使發電片的冷、熱端很好的與外殼連接，提高熱傳導效率。6為輸出接口，標準化的輸出接口有利于儲存電能的靈活使用[5]。

圖1 冷端結構設計圖

2.2 熱端結構設計

圖2所示為溫差發電裝置熱端，其結構與冷端基本一致，唯一區別為7，7是一層隔熱材料，該材料能保證熱端傳遞而來的熱量不會影響蓄電池、穩壓及輸出模塊的正常工作。

圖2 熱端結構設計圖

通過試驗，選擇性價比較高的Bi2Te2作為溫差發電裝置的熱電材料，串聯雙片溫差發電片后經過封裝得到簡易的發電裝置，在熱端溫度為115℃，冷端溫度為51.9℃的條件下，得到輸出電壓為3.01V，電流為0.07A。

3 發電裝置的性能試驗

為了后續將裝置應用到工業低品位余熱廢熱回收利用中[6,7]，分別從不獨立控制冷熱端溫度和獨立控制冷熱端溫度兩個角度出發，試驗研究該裝置的應用性能。

（1）在不控制冷端溫度的條件下，直接對熱端進行加熱，用電子測溫儀測量出冷熱面的溫差，并測量出不同溫差下的輸出電壓如表2所示：

表2 溫差發電性能測試試驗的輸出電壓情況

可以看出，輸出電壓隨溫差的增大而增大，當溫差達到最大時，輸出電壓也會達到最大值，而溫差越大，電壓隨溫差增加的趨勢更加明顯。

（2）在獨立控制冷熱兩端溫度的條件下進行試驗，將熱端溫度控制到一個數值，改變冷端溫度以產生溫差，并測量出輸出電壓如表3所示：

表3 變負載條件下輸出電壓情況

圖3 改變冷端溫度條件輸出電壓圖

圖3為與表3對應的折線圖，通過上圖6可以看出，在熱端溫度相同的條件下，冷端溫度的升高將會使發電電壓的減小，而在溫差相同的情況下，冷端溫度越低，輸出電壓越高。這是因為冷端溫度升高會使得溫差發電片內阻增大，從而電壓減小。

所以，在實際使用過程中，適當的提高冷熱端的溫差，盡量降低冷端溫度，可以獲得更好的溫差發電效率。

4 結論

本文基于塞貝克效應，選擇性價比較高的Bi2Te2作為熱電材料，應用溫差發電技術制作了簡易的溫差發電裝置，通過試驗，發現控制冷端溫度能提高發電效率，這對下一步將裝置進行串并聯改進，并應用到工業低品位余熱廢熱回收利用有著較大的研究價值。

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