文 献 综 述

温差发电是继核能、太阳能、风能之后的一种新能源利用方式，该技术利用半导体材料的塞贝克效应将热能直接转化成电能，是一种绿色环保的发电方式，其发电元件具有结构简单、坚固耐用、无运动部件、无噪声等优点．近年来，随着能源危机的加剧，温差发电技术在太阳能、地热能、工业余热废热等低品位热能 利用领域展现出了诱人的应用前景。一些国家已将温差发电技术列为中长期能源开发计划。[1]

温差发电发展至今，已有半导体温差发电、太阳能温差发电、同位素温差发电、海洋温差发电等形式。其中，前三者的基本原理都是塞克效应，而海洋温差发电原理更加接近水电原理。[2]

使用聚焦太阳光作为热源的半导体温差发电装置称为集热式太阳能温差发电装置。半导体温差发电目前主要用于勘探、军事等领域，将发电装置与太阳能、地热、汽车尾气余热、工业废热等结合，回收热能将其转化为电能。其中，我国的西藏、新疆、甘肃等地的太阳能平均日辐射量达5.1～6.4 kWh／m2[3]，故太阳能温差发电在新疆、西藏、甘肃等地区的应用将产生极大的经济价值。

目前已有较多对于半导体温差发电小型发电系统的研究，包括接触压力对温差发电系统的影响、温差发电散热外场的研究、半导体温差发电的能源采集系统、温差发电的实验演示等。图1是其中一种关于半导体温差发电装置的设计以及应用。该装置的温差发电模块由加热单元（温度可调）提供热端，加热模块使用额定电压220V、额定功率120W的加热器，由水槽提供冷端降温。[4]加热单元和温差发电片的热端、水槽的下表面与温差发电片的冷端之间相互紧密接触，在接触面均匀涂上一层导热硅脂。通过控制水槽中的水流量和加热单元的温度来控制温差发电片冷端和热端的温度[5]。利用该装置测得开路电压与温差关系曲线、输出功率与温差关系曲线如图2所示

该研究还对发电片输出的波动性电压进行了稳压设计，其稳压电路采用了可调集成稳压器LM2587-ADJ，利用图3所示电路得到9V稳定电压输出。[6]

该研究在实验室条件下设计了一种温差发电装置，分析了温差发电模块的输出电压/输出功率与温度关系，然后根据温差发电模块输出电压不稳定的特点设计了稳压电路，最后计划将其运用于工业高温旋转环境下温度采集仪器的供电。从目前看来，装置从实验室真正迈入工厂仍需较长时间。[7]

半导体温差发电技术其原理（如图4）为两种不同类型的半导体构成的回路，当半导体的接合端处于高温状态，另一端置于低温状态下，就会在回路中形成电动势，在应用时多个PN结串联起来[8]（如图5），构成一个热电转换模块。从微观上看，当发电片热端受到热量激发产生了更多的载流子，在冷热两端形成了载流子浓度梯度，导致载流子定向移动，最终与半导体逆向的漂移作用相互抵消达到动态的平衡状态，此时产生的电势差就是温差电动势。[9]

半导体温差发电技术存在着一个严重的短板：半导体材料的热电转换率不高。目前为解决这一问题的研究的方向主要有两个：一是半导体热电材料的研究，在纯净半导体材料中掺入微量的其他元素，如纯净的硅品体中掺入少量的磷、硼，可有效提高半导体的热电转换率；二是研究更加优化的工艺，即增大或提供持续稳定的温差，如太阳聚光集热装置[10]。针对温差发电技术存在的效率较低的问题，Bell指出，除了提高热电材料的本征能量转换效率外，还应优化设计发电系统的结构[11]；Chenlingen等的研究结果也表明，发电器与外部换热器之间的不可逆传热显著影响发电器的性能，发电器最大输出功率和最大发电效率随着换热器性能的降低而降低，因此，选择合适的换热器对其发电性能的提高显得尤为关键[12]；Stevens的研究表明，当发电器冷、热端换热器的热阻之和等于发电器自身热阻时，能获得最大的输出功率；Glatz等则指出，当温差发电器内部热阻远大于外部换热器的热阻时，发电器两端可获得较大的温差；Freunek等导出了考虑帕尔贴效应的温差发电器新物理模型，指出发电器的极限输出功率与外部换热器的热阻密切相关。[13]

以上研究有助于人们选择和设计高性能的温差发电器。然而，这些研究对象只是由单个温差电 组件组成的温差发电器。实际应用中，为了增加输出功率，常把多个温差电组件通过串联、并联或串并联相结合的连接方式连接起来，形成一个温差电系统。本项目就是针对多个温差电组件通过串并联连接方式装配而成的温差发电系统为研究对象，比较相同温差条件下不同的串并联电路结构多片半导体温差发电片构成的系统的发电效率，结合负载探究每种结构下系统的内阻变化情况和最大输出功率获得条件。[14]

[1]《半导体温差发电装置的研制》姜晓丽；王宁会；大连理工大学

[2]《温差发电技术及其一些应用》张腾；张征；华南理工大学

[3]《集热式太阳能温差发电装置的研究》赵媛媛，曾葆青，电子科技大学

[4]《新型半导体温差发电系统的研究》程志祥；安徽铜陵发电厂

[5]《接触压力对温差发电系统性能的影响》杜青，张寓皓，于书海，天津大学

[6]《半导体热电发电技术》[J]. 王华军,韩刚. 太阳能. 2002(06)

[7]《基于半导体温差发电模块的锂电池充电装置》林玉兰，李迎阳，厦门大学

[8]《温差发电#8212;#8212;#8212;种新型绿色的能源技术》[J]. 何元金,陈宏,陈默轩. 工科物理. 2000(02)

[9]《RXTe3(X=Bi,Sb)的制备与低温特性》杨二豪，霍德璇，杭州电子科技大学

[10]《浅谈温差发电》严李强，程江，刘茂元，西藏大学工学院

[11]《温差电组件串并联连接的热阻解析模型》周泽广;朱冬生;黄银盛;王婵，《沈阳工业大学学报》

[12]《温差发电器的传热特性分析与实验研究》周泽广;朱冬生;，华南理工大学

[13]《低温差下半导体温差发电器设计与性能研究》屈健，李茂德；同济大学

[14]《多级温差发电器串并联分析模型》王春燕；郑江；厉彦忠；西安交通大学

[15]《基于温差发电的混合动力自行车的研究》张朝；雷同飞；西京学院

文 献 综 述

温差发电是继核能、太阳能、风能之后的一种新能源利用方式，该技术利用半导体材料的塞贝克效应将热能直接转化成电能，是一种绿色环保的发电方式，其发电元件具有结构简单、坚固耐用、无运动部件、无噪声等优点．近年来，随着能源危机的加剧，温差发电技术在太阳能、地热能、工业余热废热等低品位热能 利用领域展现出了诱人的应用前景。一些国家已将温差发电技术列为中长期能源开发计划。[1]

温差发电发展至今，已有半导体温差发电、太阳能温差发电、同位素温差发电、海洋温差发电等形式。其中，前三者的基本原理都是塞克效应，而海洋温差发电原理更加接近水电原理。[2]

使用聚焦太阳光作为热源的半导体温差发电装置称为集热式太阳能温差发电装置。半导体温差发电目前主要用于勘探、军事等领域，将发电装置与太阳能、地热、汽车尾气余热、工业废热等结合，回收热能将其转化为电能。其中，我国的西藏、新疆、甘肃等地的太阳能平均日辐射量达5.1～6.4 kWh／m2[3]，故太阳能温差发电在新疆、西藏、甘肃等地区的应用将产生极大的经济价值。

目前已有较多对于半导体温差发电小型发电系统的研究，包括接触压力对温差发电系统的影响、温差发电散热外场的研究、半导体温差发电的能源采集系统、温差发电的实验演示等。图1是其中一种关于半导体温差发电装置的设计以及应用。该装置的温差发电模块由加热单元（温度可调）提供热端，加热模块使用额定电压220V、额定功率120W的加热器，由水槽提供冷端降温。[4]加热单元和温差发电片的热端、水槽的下表面与温差发电片的冷端之间相互紧密接触，在接触面均匀涂上一层导热硅脂。通过控制水槽中的水流量和加热单元的温度来控制温差发电片冷端和热端的温度[5]。利用该装置测得开路电压与温差关系曲线、输出功率与温差关系曲线如图2所示