半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的性能測試.doc

半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的性能測試半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的性能測試梁高衛(wèi)1、2，周孑民1，黃學(xué)章1，徐冰1，張韜1梁高衛(wèi)1、2，周孑民1，黃學(xué)章1，徐冰1，張韜1（1：中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長沙，410083；2：邵陽學(xué)院，邵陽，422000）（1：中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長沙，410083；2：邵陽學(xué)院，邵陽，422000）摘 要：摘 要：介紹了溫差發(fā)電器的基本原理，并對已有的溫差發(fā)電器進行了性能測試，盡量減小的外界的影響，測試精度較高，測試結(jié)果與塞貝克效應(yīng)吻合。介紹了溫差發(fā)電器的基本原理，并對已有的溫差發(fā)電器進行了性能測試，盡量減小的外界的影響，測試精度較高，測試結(jié)果與塞貝克效應(yīng)吻合。關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電器；性能；測試1. 引言2. 引言根據(jù)塞貝克效應(yīng)，半導(dǎo)體溫差發(fā)電器能夠直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能，由于其沒有任何運動部件、無震動無噪音無泄露、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、使用壽命長等特點，溫差發(fā)電技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于航天、國防、醫(yī)學(xué)和科技等領(lǐng)域1。近年來，隨著節(jié)能技術(shù)的不斷發(fā)展，將半導(dǎo)體溫差發(fā)電器用于低品味熱源的余熱回收成為發(fā)達國家的研究熱點，如：美國研究了利用汽車發(fā)動機尾氣的余熱進行發(fā)電；日本正研究利用垃圾焚燒后產(chǎn)生的熱能進行發(fā)電的技術(shù)等2。目前國際上已經(jīng)有了一些較為成熟的溫差發(fā)電民用產(chǎn)品，而我國盡管有部分高校和研究機構(gòu)在從事該方向的研究，但在將溫差發(fā)電技術(shù)用于民用幾乎還是個空白3。對溫差發(fā)電器的性能研究是開發(fā)溫差發(fā)電產(chǎn)品的基礎(chǔ)，但目前國內(nèi)對溫差發(fā)電器的研究主要集中在溫差電材料的研究及溫差發(fā)電器的熱電偶單體的研究，對發(fā)電器整體熱電性能的研究還比較少。本文著重介紹了溫差發(fā)電器的基本原理，并通過實驗來測試溫差發(fā)電器的溫差電性能，并驗證溫差發(fā)電器發(fā)電過程中的一些基本規(guī)律。3. 溫差發(fā)電器的基本原理塞貝克效應(yīng)4是熱能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象。如圖1所示，對于兩個不同的導(dǎo)體串聯(lián)組成的回路，如果兩個接頭1和2維持在不同的溫度和，則在導(dǎo)體b的開路位置y和z之間，將會有個電位差出現(xiàn)，其數(shù)值為：其中，為塞貝克系數(shù)。圖1 塞貝克效應(yīng)示意圖當溫差不是很大的時候，可以認定塞貝克系數(shù)為常數(shù)。在實際應(yīng)用中的溫差發(fā)電器中，通常是按照如圖2所示的方式，用金屬導(dǎo)流片（通常是用銅做導(dǎo)流片材料）將P型和N型的半導(dǎo)體熱電材料連接后，固定在氧化鋁陶瓷基板上。當上下兩塊氧化鋁陶瓷板上存在溫差時，會在圖示的負載兩端施壓一個電壓，其作用就是一個發(fā)電器。圖2 溫差發(fā)電器簡單模型1導(dǎo)流片 2氧化鋁陶瓷片 3半導(dǎo)體溫差電材料4. 溫差電性能測試半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的電氣性能主要包括：開路電壓、溫差、內(nèi)阻、輸出功率等，為便于測試，首先要搭建一個實驗裝置。3.1 搭建實驗裝置為準確測試半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的性能，按照如圖3所示搭建了一個實驗裝置。圖3 溫差發(fā)電器性能測試示意圖實驗裝置包括三個部分，分別為加熱部分、冷卻部分和測試部分。在加熱部分，利用加熱板給溫差發(fā)電器的熱端加熱，通過控制加載在加熱板上加熱絲的電壓，來控制發(fā)電器熱端的溫度，即控制。在冷卻部分，利用水冷方式來對發(fā)電器冷端進行冷卻，通過調(diào)節(jié)冷卻水的溫度和流量來控制發(fā)電器冷端的溫度，即控制。在測試部分，溫度和均采用鎳鉻康銅熱電偶進行測溫，測溫范圍為0800，精度為0.1。電壓V和電流I均采用Agilent U1252A萬用表測試。為盡量減小測試過程中系統(tǒng)受對流、輻射等影響，冷卻部分和加熱部分均封閉在用隔熱材料包裹的環(huán)境中。為減小接觸熱阻的影響，在溫差發(fā)電器熱端與加熱板、冷端與冷卻板之間涂上高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱膏。3.2 空載性能測試在圖3的實驗裝置中，測試單片熱電發(fā)電器的性能，熱電發(fā)電器采用廈門納米克公司生產(chǎn)的熱電片，型號為TEP1-1264-1.5，外形尺寸為40*40*4.1mm，內(nèi)部為126對Bi2Te3熱電偶，Bi2Te3熱電材料為目前在室溫范圍內(nèi)使用最廣泛的溫差電材料5。將開關(guān)K的位置打到1，將溫差發(fā)電器冷端的溫度恒定到300K，同時不斷緩慢升高熱端溫度，使得從300K不斷升高到400K；即在冷端溫度恒定的時候，提高溫差發(fā)電器的溫差。同時測試發(fā)電系統(tǒng)的開路電壓V，此電壓將隨著的改變而改變。圖4是溫差發(fā)電器開路電壓與溫差的關(guān)系曲線圖。圖4 溫差發(fā)電器開路電壓與溫差的關(guān)系曲線圖根據(jù)塞貝克效應(yīng)可以知道，在溫差不大的情況下，塞貝克系數(shù)可以認定為常數(shù)，故開路電壓和溫差成線性關(guān)系。由圖4可以看出，除去測量誤差及外界的影響，溫差發(fā)電器的開路電壓和溫差成線性關(guān)系。即通過實驗證明了塞貝克效應(yīng)。通過實驗可得出，對于單片TEP1-1264-1.5熱電片，其開路電壓和溫差滿足關(guān)系式：（ 1(1)Sd。有圖5可以看出，在帶有負載的情況下，負載電壓與溫差成線性關(guān)系。由圖6可以知道：當時，負載功率最大，由此可以得出一片TEC1-12706溫差發(fā)電器的內(nèi)阻，而廠家提供的熱電器的內(nèi)阻為，也就是說可以利用這個實驗間接地測試溫差發(fā)電器的內(nèi)阻。5. 結(jié)論設(shè)計了一個實驗裝置，對溫差發(fā)電器進行了實驗測試，測試結(jié)果顯示：溫差發(fā)電器的溫差和開路電壓成線性關(guān)系；當負載阻抗等于發(fā)電器的內(nèi)阻時，溫差發(fā)電器具有最大的輸出功率。這些實驗結(jié)果與塞貝克效應(yīng)一致。參 考 文 獻1. S B Riffat , Xiaoli Ma.Thermoelect rics: a review of present and potential applications J . Applied Thermal Engineering. 2003 ,23 :91329352. 欒偉玲，涂善東.溫差電技術(shù)的研究進展.科學(xué)通報.第49卷 第11期.2004年6月3. 鄭文波，王禹，吳知非，黃志勇，周世新.溫差發(fā)電器熱電性能測試平臺的搭建.實驗技術(shù)與管理.第23卷，第11期.2006年11月4. 高敏，張景韶，D.M.Rowe.溫差電轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用.兵器工業(yè)出版社.1996年.795. 劉宏，王繼揚.半導(dǎo)體熱電材料研究進展.功能材料.2000 31（2）Properties Testing of semiconductor thermoelectric genertorGaowei LIang1、2，Jiemin Zhou1，Xuezhang Huang1，Bing Xu1，Tao Zhang1（1：School of Energy Science and Engineering ,Central South University，Changsha，410083；2：Shao Yang University，Shaoyang，422000）Abstract:Introducing the principle of semiconductor thermoelectric genertor, and electrical propreties of semiconductor thermalelectric genertor is tested, and the external im