1.30 半导体温差发电片的特性研究

温差发电片
温差发电片发电是一种新型的发电方式，即利用塞贝克效应将热能直接转换为电能：
P型和N型结合的半导体元件组成的器件的一侧维持在低温，另一侧维持在高温，这样器件高温侧就会向低温侧传导热能并产生热流。

即热能从高温侧流入器件内，通过器件将热能从低温侧排出时，流入器件的一部分热能不放热，并在器件内变成电能，输出直流电压和电流。

通过连接多个这样的器件便可获得较大的电压。

该器件即为目前应用日益广泛的温差发电片。

由半导体温差发电片制造的半导体发电机有着无噪音、寿命长、性能稳定等特点，同时体积小，重量轻，便于携带，成为了一种应用广泛的便携电源。

目前主要
用于油田、野外、军事等领域，同时越来越多地应用于小家电制造、仪器仪表、玩具及旅游业等行业。

随着现代社会保护环境、节约能源的呼声越来越高、人们更多地在考虑如何有效地将太阳热、海洋热、地热、工业废热、燃烧垃圾的发热等地球上各种热源产生的热能转化为电能。

因此半导体温差发电技术必将得到更广泛的应用。

温差发电片外形尺寸62*62*3.6MM.开路电压18V，电流600MA，负载电压12V，负载电流600MA。

耐高温180度，温差100度。

温差发电片外形尺寸40*40*3.6MM.开路电压8V，电流600MA，负载电压4V，负载电流600MA。

耐高温180度，温差100度。

温差发电组外形尺寸62*62*4.9MM.开路电压8V，电流1.2A，负载电压4V，负载电流1A。

耐高温180度，温差100度。

米合温差发电组，输入温度100-180度，（温差100度左右，）输出电压6-7V，电流600MA.。

王长宏等：半导体P-N型温差发电器件热电性能研究文章编号：1001-9731 (016) 12-12147-0512147半导体P-N型温差发电器件热电性能研究x王长宏，李娜，林涛，吴浩东(广东工业大学材料与能源学院，广州510006)摘要：区熔法工艺制备的T i2Be3温差发电材料，以P N结为研究对象。

通过有限体积法对单对半导体P N结模型的温度、流场进行模拟，并用热阻分析法对传热过程进行计算，考虑热电转换过程受P N结空腔内气体对流、热传导和辐射的影响。

研究结果表明，数值模拟和热阻分析法所得结果吻合，芯片传热过程中陶瓷基板热阻耗散 46%的温差，且当热端温度达1 000 K时，辐射传热量占总传热量的37%;因此对半导体P N结模型进行优化，适 当降低陶瓷基底热阻有利于提高半导体P N结实际温差和应用价值。

关键词：温差发电器件；热电转换；热电性能；数值分析中图分类号：T K11 文献标识码：A D O I：10.3969/j.issn.1001-9731.2016.12.0240引言由于热电发电过程中具有体积小、无噪声、寿命长 等特点，其性能研究及相关应用备受关注[]。

国内外 学者现集中于热电材料优值系数的提高[-3];主要包括 通过态密度共振和能带简并提高塞贝克系数；纳米结 构等方法降低晶格热导率以及基体和纳米第二相的能 带对齐来维持电传输性能45]。

王长宏等[]在温差发 电过程的数值模拟中考虑热电单元之间封闭腔体内空 气传热的影响提出改善模块结构的有效途径，A.S.A1-M e rb a ti等[7]利用有限元方法对不同组合结构的PN 结元件进行温度场、电场和机械应力场耦合分析，综合 评价不同P N结构性能。

A.R e z a n ia等[8]则对温差发电芯片内部结构进行优化。

F ank ai M e n g等[]针对温 差余热利用，分析单元长度，封装、热流对温差发电模块的影响和导热基底厚度对发电效率影响研究，表明 输出功率随着截面积增大和导热基底厚度增加而减小；而对温差发电内部多场耦合的研究甚少。

CENTRAL SOUTH UNIVERSITY本科生毕业论文（设计）题目低品位热源半导体温差发电器性能研究学生姓名指导教师副教授学院能源科学与工程学院专业班级热动完成时间2008年6月10日低品位热源半导体温差发电器性能研究摘要：温差发电是一种新型的发电方式，它是利用塞贝克效应将热能直接转换为电能。

以半导体温差发电模块制造的温差发电器，只要有温差存在即可以发电。

温差电效应是半导体温差发电的理论基础，本文在对其基本原理进行简单说明的同时对半导体温差发电的工作原理作了清晰的阐述。

在此基础上，首先对单一发电模块的性能进行了测试，分析其输出功率随负载的变化规律；然后依照温差发电的基本原理结合铝电解槽散热孔结构特点设计搭建了余热利用实验装置，并在实验室搭建仿铝电解槽散热孔的结构实验测试系统，对实验装置的电源输出电压、功率等进行采集、测试，总结出一系列的相关规律，从中推导出了最佳的输出功率；最后通过所分析的实验结果对实验装置进行优化，使实验装置能提供稳定和足够功率的电能，最终达到能源再利用。

关键词：温差电；发电模块；性能；测试Research of Semiconductor Thermoelectric Generator inLow-grade Heat Energy and Temperature DifferenceAbstract: Thermoelectric power generation is a new type of power generation, it is to use Seebeck effects effect will be directly converted to electric heat. Thermoelectric power generation module to the semiconductor manufacturing thermoelectric generator, as long as there is a temperature difference can be power generation. Thermoelectric effect semiconductor thermoelectric power generation is the theoretical basis, the paper in its basic principle of a simple description of the semiconductor thermoelectric power generation at the same time the work made clear the principles expounded. On this basis, first, give a single generation the performance of the testing, analysis with its power output changes of the load; and then, in accordance with the basic principles of cooling holes with aluminium cell structure design structures using the waste heat experimental device, And in the laboratory structures imitation aluminium cell structure of the cooling-testing system, the experimental device's power output voltage and power to carry out the collection, summing up a series of relevant laws, derived from the best power output; Finally, the analysis of the results of the experimental device optimized so that the experimental device can provide a stable and adequate electric power, and ultimately achieving energy re-use.Keywords: Thermoelectric；Power generation module；Performance；Test目录摘要及关键词 (I)Abstract and Keywords (II)1 概述 (1)1.1 半导体温差发电的研究现状和发展动态 (1)1.1.1 能源危机和环境污染 (1)1.1.2 新能源的开发 (2)1.1.3 温差发电的发展趋势 (3)1.2 课题研究的来源及主要研究内容 (4)2 温差发电的基本效应 (5)2.1 塞贝克效应 (5)2.2 珀尔帖效应 (6)2.3 汤姆逊效应 (7)2.4 焦耳效应 (8)2.5 温差电材料热电性能的表征 (9)2.6 半导体温差发电的工作原理 (9)3 单一温差发电模块性能研究 (12)3.1 测试装置 (12)3.2 空载下发电模块性能的研究 (13)3.3 可变负载下发电模块性能的研究 (14)3.3.1 输出电压性能特点 (14)3.3.2 输出电流性能特点 (15)3.3.3 输出功率性能特点 (16)4 余热发电实验装置的设计 (19)4.1 概述 (19)4.2 余热发电装置的设计 (20)4.2.1 高导热系统 (20)4.2.2 散热冷却系统 (23)4.2.3 发电模块 (26)4.2.4 电能引出系统 (28)5 余热发电装置性能研究 (30)5.1 系统性能测试 (30)5.2 系统结构优化 (32)6 结论与展望 (35)6.1 结论 (35)6.2 展望 (35)参考文献 (37)致谢 (38)附录余热发电实验装置装配示意图（CAD，4#）铝箱结构示意图（CAD，4#）通风板、盖板、固定板结构示意图（CAD，4#）散热片结构示意图（CAD，4#）风管示结构意图（CAD，4#）系统装配结构示意图（CAD，4#）1 概述1.1 半导体温差发电的研究现状和发展动态热电直接转换技术是研究热能和电能直接转换的科学，由于转换过程中热端和冷端存在一定的温差，故又称为温差电技术。

半导体温差发电技术应用及研究综述下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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９　科技咨询导报　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｈｅｒａｌｄ高　新　技　术２００７ ＮＯ．２６Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｈｅｒａｌｄ１　引言１８２３年，德国人Ｔｈｏｍａｓ　Ｓｅｅｂｅｃｋ　首次发现在两种不同金属构成的回路中，如果两个接头处的温度不同，其周围就会出现磁场。

进一步实验之后，发现了回路中有电动势存在，这种现象后来被称为Ｓｅｅｂｅｃｋ效应或温差电效应。

温差发电技术研究始于２０世纪４０年代，于２０世纪６０年代达到高峰，并成功地在航天器上实现了长时间发电。

当时美国能源部的空间与防御动力系统办公室给出鉴定称，＂温差发电已被证明为性能可靠、维修少、可在极端恶劣环境下长时间工作的动力技术＂。

温差发电技术利用热－电转换材料直接将热能转化为电能，是一种全固态能量转换方式，无需化学反应或流体介质，因而在发电过程中具有无噪音、无磨损、无介质泄漏、体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长等优点，在军用电池、远程空间探测器、远距离通讯与导航、微电子等特殊应用领域具有无可替代的地位。

它甚至能利用人的体热和周围的环境温度，为各种便携式设备供电。

在２１世纪全球环境和能源条件恶化、燃料电池又难以进入实际应用的情况下，温差发电技术更成为引人注目的研究方向［１］。

此外，体积小、重量轻、无振动、无噪音的优点还使半导体温差发电机非常适合用作为小于５Ｗ的小功率电源，用于各种无人监视的传感器、微小短程通讯装置以及医学和生理学研究仪器－－目前，相关产品已进入实用阶段。

近几年来，温差发电机不仅在军事和高科技方面，而且在工业和民用方面也表现出了良好的应用前景。

由于原料费用几近为零、加上运行成本的低廉，温差发电完全可以实现与现存发电方式的商业竞争。

看到这一前景，日本、美国近几年来开展了一系列低品位热和废热、余热等资源的利用项目：比如说利用热源遍及化工厂、钢铁工业、水泥工业、造纸业、石油冶炼业等行业产生的工业余热，利用富含有机可燃物、“资源效益”极为可观的垃圾焚烧热，利用在汽车尾气、冷却水、润滑油和热辐射中散失的汽车余热，利用太阳的辐射热、海洋的温差热、地热等自然热，以及利用其它分散热源例如沐浴剩余水的余热、家用取暖炉的散热等等都可以作为热源利用温差进行发电，真正做到了“变废为宝”。

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实验六十八 半导体温差发电片的特性研究
实验器材
朗威DISLab 数据采集器、温度传感器、电压传感器、朗威DISLab 温差发电实验器、计算机。

实验装置
如图29-1。

实验操作
1．将电压传感器和两只温度传感器与温差发电实验器连接后分别接入数据采集器一、
二、三通道。

2．点击教材专用软件主界面上的实验条目“半导体温差发电片的特性研究”，打开该软件。

3．点击“开始记录”，对传感器进行软件调零，向温差发电实验器水槽内分别注入热水和冷水，点击“记录数据”，系统自动记录下冷水与热水的温度差及实验器产生的电动势（图29-2）。

4．点击“绘图”，观察U-Δt 图像，总结半导体温差发电片产生的电动势与温度差的关系（图29-3）。

图29-1 实验装置图
图29-2 记录数据 图29-3 U-Δt 图像。

半导体温差发电系统实验研究及其应用废热是一种重要的能量来源,随着能源危机的日益严重,废热的回收利用日益成为了研究者关注的重点。

根据美国能源部的报告,美国每年工业废热损失的能源相当于500万美国人一年的能源使用量,全球每年处理废热更是要耗费近百亿美元。

半导体温差发电是一种绿色能源技术,是一种新型的发电方式。

它具有无污染、无噪音、结构紧凑、免维护等很多优势。

利用半导体温差发电技术对生活废热或汽车尾气进行能源回收利用并提高能源利用效率,许多国际知名的企业已经走在了研究的前沿。

这种发电机可将生活废热或汽车尾气中的热能转化成电能,节省能源、提高利用效率的同时可降低有害排放,是未来可回收能源技术升级的一个重要方向。

本文结合欧盟新能源项目的规划与资助,以增强我国在温差发电领域的研发与应用能力为宗旨,在提出了一种新的家用温差热电同时供电供热系统,并通过实验验证了其可行性的同时,结合国外先进汽车制造企业有限公开的资料与数据,又进一步提出了一种新的对利用汽车尾气废热进行回收利用的温差发电装置,并采用理论模拟计算与实验研究相结合的方法,对该温差发电系统进行了详细的测试与验证。

首先,建立了单级温差发电和两级温差发电的有限时间热力学模型,并确定了理论分析与实验验证中所要考察的反应温差发电系统性能的主要参数。

与实验数据对比验证模型的合理性后,该温差发电系统有限时间热力学模型可用于性能提高与优化的仿真与计算。

其次,对尾气换热情况进行了计算,其计算结果表明适当的强化传热手段,如在管内增加翅片,是必要的。

在对几种不同类型翅片进行模拟的基础上,选择了锯齿翅片。

接着,针对不同导热油厚度,对安装于汽车尾气管外部的温差发电装置温度场分布进行了模拟,并根据模拟结果,确定了最合适的导热油厚度,进而最后确定装置的外部尺寸。

然后,作为进一步提升系统性能的主要研究方向,将热管引入到了两级温差发电装置中。

并针对汽车尾气的参数设定,对其进行了设计计算与验证计算。

实验方案一.【实验题目】：温差发电片的发电效率的研究二.【实验原理】：温差发电片是一种基于塞贝克效应，直接将热能转化为电能的热电转换器件1982年，德国物理学家塞贝克发现了温差电流现象，即两种不同金属构成的回路中，若两种金属结点温度不同，该回路中就会产生一个温差电动势。

温差发电原理图它由P、N两种类型不同的半导体温差电材料经电导率较高的导流片串联并将导流片固定于陶瓷片上而成。

在器件的两端建立一个温差，使器件高温端保持T h，低温端保持T c,根据塞贝克效应，将产生一个电压，若在回路中接入负载电阻则将有电流流过。

三.【实验目的】：1. 研究发电片在什么条件下的输出功率最大2. 测定温差发电片正常工作的温度3 .测定温差发电片在不同温度下能够产生的电压大小和电流大小4. 测定太阳光经过菲尼尔透镜能够产生的温度高低5. 测定PTC恒温发热片工作时产生的温度的高低6. 研究温差发电片形成温差的方法四•【实验方案】：（一）方案一：利用菲尼尔透镜聚集太阳光进行温差发电六.【实验步骤】：1. 发电片的安装发电片在安装时，首先都要用无水酒精棉，将发电片的两端面擦洗干净，储冷 板和散热板的安装表面应加工，表面平面度不大于 0.03mm ，并清洗干净，然后采用粘合的方法来安装发电片。

粘合的安装方法是用一种具有导热性能较好的粘 合剂，均匀的涂在发电片、导热板、散热板的安装面上。

粘合剂的厚度在0.03mm 将发电片的冷热面和导热板、散热板的安装面平行的挤压，并且轻轻的来回旋转 确保各接触面的良好接触，通风放置多个小时自然固化。

散热片和发电片相接触 的表面必须精细加工，装配时在接触面上必须均匀的涂抹适量的导热硅脂， 以尽 量减少热阻。

2. 发电片输出功率特性研究 塞贝克效应电势差大小可用表示为厂 =$再（旷）_、、rr式中，S 与Sc 分别为两种材料的塞贝克系数。

如果S 与Sc 不随温度的变化而变化，式（1）即可表示为:为方便输出功率的计算，可以对实验对象做以下假设：① 稳态，输出电流为稳恒电流； ② 半导体温差发电片侧面绝热；③ 冷热端之间的空气对流和辐射影响可以忽略；④ 半导体温差发电片内部导热系数不变。

温差发电半导体
摘要：
1.温差发电半导体的概念和原理
2.温差发电半导体的应用领域
3.我国在温差发电半导体技术方面的研究进展
4.我国在温差发电半导体产业方面的挑战与机遇
5.结论与展望
正文：
温差发电半导体是一种能够将温差转换为电能的材料，其原理基于热电效应。

当两种不同材料的接触处存在温差时，会产生一个电势差，从而产生电流。

温差发电半导体材料主要包括碲化铋、碲化镉等。

温差发电半导体在多个领域具有广泛的应用前景。

首先，它可以用于制作热电发电机，将环境中的温差转换为电能，为小型电子设备、传感器等供电。

其次，温差发电半导体还可应用于汽车尾气废热回收系统、工业余热回收等领域，有助于提高能源利用效率。

此外，航空航天、医疗设备、通信基站等也对温差发电半导体有较高的需求。

我国在温差发电半导体技术方面取得了一定的研究成果。

我国科研团队已经成功研发了高性能碲化铋基温差发电半导体材料，并已申请了多项专利。

此外，我国还积极开展温差发电半导体器件的研究，以提高器件的性能和稳定性。

然而，我国在温差发电半导体产业方面仍面临一些挑战。

首先，高质量温
差发电半导体材料的制备技术和设备主要掌握在国外企业手中，对我国的技术引进和产业发展造成一定的制约。

其次，我国在温差发电半导体器件的设计、制造和应用方面尚处于初级阶段，需要进一步加强研发投入和人才培养。

总之，温差发电半导体技术具有广泛的应用前景和巨大的市场潜力。