小型温差发电技术研究

科技创新导报2019 NO.13Science and Technology Innovation Herald工业技术

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald89DOI：10.16660/ki.1674-098X.2019.13.089小型温差发电技术研究宋其军1 黄凯2 (1.核工业西南物理研究院 四川成都 610225；2.成都理工大学工程技术学院 四川乐山 614000)摘 要：发现塞贝克效应以来，国外对温差发电进行了大量研究。温差发电芯片采用独特的薄膜技术加工制造而成，生产工艺结合微电子薄膜和类似MEMS芯片技术，在4cm2内的温度变化可以产生0.5~5V的电压，可持续供电。本文利用温差芯片、散热片、4mm厚钢板、铜柱、热传导橡胶，USB连接装置等，制造一个野外小型温差手机充电装置利用外部火源对仪器进行加热产生高温热源，冷水即为低温热源，二者结合即可给手机充电。关键词：温差发电片 温差发电 塞贝克效应中图分类号：TM913 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2019)05(a)-0089-02Abstract: Since Seebeck discovered Seebeck effect in 1821, a great deal of research has been done on thermoelectric generation abroad. The thermoelectric generation chip is manufactured by a unique thin film technology. The production process combines microelectronic thin film and similar MEMS chip technology. The temperature change within 4cm2 can generate a voltage of 0.5-5V, which can continuously supply power. This project uses temperature difference chip, heat sink, 4mm thick steel plate, copper column, heat conduction rubber, USB connection device, etc. to manufacture a small field temperature difference mobile phone charging device, which uses external fire source to heat the instrument to generate high temperature heat source, and cold water is the combination of low temperature heat source to charge the mobile phone.Key Words: Thermoelectric disc; Thermoelectric generation; Sebeck effect德国物理学家赛贝克发现，在两种不同金属所组成的闭合回路中，当两点接触的温度不同时，回路中会产生一个电势[1]。汤姆逊利用他的热力学理论从理论上预言了一种新的温差电效应，当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量[2]。虽然最近几年随着能源与环境危机的日渐突出，以及一批高性能热电转换材料的开发成功，温差电技术的研究又重新成为热点，但突破的希望还是在于转换效率的稳定提高[3]。本课题利用上述原理制作了一个简易的野外手机发电项目。1 本课题主要应用原理温差发电原理:在金属中高低温热源温度不同，温度高的一端自由电子动能大并且向温度低的一端进行热扩散，自由电子向低温热源扩散从而形成电势差建立内电场，这种效应一直持续到高低温热源电势差平衡为止。塞贝克效应:在不同种金属组成的闭合回路中两种金属两端温度不同时产生温差电效应。2 温差发电应用前景应用及温差发电电路图2.1 温差发电前景与优势分析传统能源主要以矿物化石能源为主，由于近几十年人类对化石能源的过度消耗导致人类面临资源枯竭和环境问题的挑战。太阳能是绿色环保能源，温差发电可以直接将太阳能转化为电能并且简化发电系统结构，具有良好的发展前景。传统的太阳能热发电方式都用发电机或者蒸汽轮机作源动机，噪音很大并普遍造成环境污染，而温差发电技术无运动部件，无噪声且不需要维护，简化发电结构，可自由调节温差发电模块的数量等优势。2.2 小型温差发电项目电路图以及说明热源由蜡烛提供，冷源为水，Tn金属1，Tc金属2，P和N

高新技术　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｓｕｌｔ—ｉｎｇ　Ｈｅｒａｌｄ盈蹈豳圜　■ｉ圈蟹睚虱凹捌圃圈　

新型半导体温差发电系统的研究　

程志翔　（安徽铜陵发电厂生产技术部　２４４０１　２）　

摘要：温差发电可将热能直接转化为电能，即使在只有微小温差存在的情况下也能应用，是适用范围很广的绿色环保型能源。本文研　究了半导体温差发电器的基本原理，介绍了一种新型的半导体温差发电模块，对其性能进行了研究，并在此基础上构建了一套小型发电系　统。分析了发电模块的不同串并组合矩阵的输出功率，设计了为蓄电池充电的稳压充电电路，并使设计的模块矩阵与蓄电池稳压充电电　路匹配，使其输出功率达到最大。　关键词：温差发电　温差电材料　绿色能源　中图分类号：Ｏ４７２　文献标识码：Ａ　文章编号：ｌ６７３　Ｏ５３４（２ＯＯ７）Ｏ９（ｂ）０００９　０２　１引言　ｌ８２３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２Ｏ世纪４Ｏ年代，　于２Ｏ世纪６Ｏ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…。　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　理学研究仪器一目前，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　

低温差发电的原理与应用

低温差发电是一种利用低温热源和高温环境之间的温差进行能量转换的发电技术。它的原理基于热电效应，即通过材料的热载流子扩散来产生电流。在低温热源一侧，热载流子被加热并变得高能量，然后通过材料的热载流子扩散，到达高温环境一侧，释放出能量，同时产生电流。

1.温差利用：低温差发电可以利用各种温差资源，如温泉、大海、地下水等。在这些低温环境中，通过低温差发电技术，可以将废热转化为电能，提高能源利用效率。

2.环境能源利用：低温差发电技术可以在自然环境中利用环境温差来产生电能。例如，太阳能光热系统可以利用太阳辐射产生的温差来发电。

3.工业应用：低温差发电技术可以应用于工业生产过程中的废热利用。例如，石化、电力、冶金等行业产生的大量废热可以通过低温差发电技术转化为电能，降低能源浪费。

4.家用电器：低温差发电技术可以应用于可穿戴设备、移动设备等小型电子产品，为其提供可持续的电力支持。例如，通过人体的体温差来发电，为可穿戴设备提供动力。

5.生命科学：低温差发电技术在生命科学领域的应用也非常广泛。例如，可以利用人体和动物体内的温差来产生微小的电量，为生物传感器、植入式医疗设备等提供电力支持。

1.材料的研发：目前低温差发电技术主要依赖于热电材料，因此研发高效的热电材料是发展的重中之重。科学家们正在研究各种新型热电材料，以提高能量转换效率。 2.系统集成：低温差发电技术需要与其他能源转换装置相结合，形成一个完整的能源系统。因此，研发高效的系统集成技术，可以提高低温差发电技术的整体性能。

3.应用拓展：低温差发电技术的应用领域还有很大的拓展空间。科学家们正在研究将低温差发电技术应用于更多领域，如智能建筑、交通运输等，以满足不同领域的能源需求。

温差电池：每片110元，10片以上80元/片，100片以上60元/片。

德国科学家发明了一种利用人体温差产生电能的新型电池，可以给手机等微型电器提供长久的“动力”，因而免去了充电或更换电池的麻烦。

这种电池主要由一个可感应温度的硅芯片构成，当这种特殊的硅芯片正面“感受”到的温度较之背面温度具有一定温差时，其内部电子就会产生定向流动，从而产生微量但却是足够用的电流。

组件两面上的温差在0--60度时，可产生电压0--3.8V，电流0--3A。

半导体温差发电模块的应用

在此，我们介绍一种新型的半导体温差发电模块,对其性能进行研究,并在此基础上构建了一套小型发电系统,可利用煤灶、篝火等进行发电。并将发的电储在蓄电池中，从而用以照明等。

半导体温度发电模块，是一种利用温差直接将热能转化为电能的全固态能量转化发电装置,它无需化学反应且无机械移动部分,因而具有无噪音,无污染,无磨损,重量轻,使用寿命长等种种优点。被广泛地用于工业余热,废热的回收利用,航天辅助电力系统等。随着能源的短缺及人们不断提高的环境保护意识,特别是全球气候变暖问题,半导体温差发电技术以其各种优点越来越引起人们的关注。

半导体温差发电模块是根据塞贝克效应制成的,即把两种半导体的接合端置于高温,处于低温环境的另一端就可得到电动势E:E=As$T=As(T2-T1)。式中:As为塞贝克系数,其单位为V K或LV K.塞贝克系数AS是由材料本身的电子能带结构决定的。

我们采用的半导体温差发电模块外形尺寸为40mm×40mm×4mm,共有127对PN结,具有一定的耐高温特性(热端稳定工作温度可达180℃,最高短时冲击温度220℃),热电转化效率为11.7%。

我国是世界的产煤大国兼农业大国,在广大的农村地区,人们利用煤灶或煤炉烧煤煮饭,取暖等。在北方农村,煤炉通常是24小时持续燃烧。我们利用上述温差发电模块研制发电系统,以便利用煤灶,炉的热能产生电能给手机、蓄电池充电或直接带动节能灯,低功耗电视等其它负载。这一发电系统也适用于野外探险时的篝火,从而解决无市电环境下的用电问题。