论文总字数：11672字

摘 要

本文针对多片型号为SEEBACK-TEP100的半导体温差发电片的电路组合结构设计进行研究，以多片半导体温差发电片作为发电元件，电炉为热源，结合散热器和风扇创造温差条件形成了整个温差发电系统系统。用此系统探究了串联并联关系对于多片温差发电片的输出电压，匹配电阻和最大输出功率的影响，建立模型对温差发电片内阻进行计算，并优化了串并联电路结构，从而获得了针对不同负载和输出电压要求的最合理的电路方案。

关键词：半导体温差发电片、串并联电路、温差发电系统

The Design of Multichip Thermo-generator Series parallel Optimization

Abstract

This article is based on the design of multiple pills of semiconductor thermoelectric power generation pills,whose model is SEEBACK-TEP100.We use multiple semiconductor thermoelectric power generation pills as power supply ,and electric furnace as heat to form a thermoelectric power generation system.This system also includes a radiator and the fan which can cool the cold side of thesemiconductor thermoelectric power generation pills .We using this system to research the relationship between the series parallel connection for multiple thermoelectric power generation pills and output voltage, resistance , the maximal output power.We also construct a model to simulate the resistance of the system.At the end of the article we optimize the structure of series parallel circuits, and thus obtained for different load and the output voltage requirements of the most reasonable circuit scheme.

Keywords: semiconductor thermoelectric, serial parallel circuit, thermoelectric power generation system

摘要 I

Abstract II

引言 1

第一章 主要原理依据 1

1.1塞贝克效应 1

1.2半导体温差发电片工作的微观原理 1

第二章 实验设备 3

2.1温差发电元件 3

2.2供热设备 3

2.3降温设备 3

2.4测量设备 4

2.5其他 4

第三章 实验内容 5

3.1实验装置 5

3.2实验条件 5

3.3实验方案 6

第四章 实验结果 7

4.1四片温差发电片串联 7

4.11测量结果 7

4.1.2电路特点 9

4.2.2电路特点 12

4.2.2电路特点 15

第五章 实验结果的分析和讨论 17

5.1探究串联电路结构对于输出电压的影响； 17

5.3发电模块U-t输出特性分析 19

5.2 比较不同电路结构在相同输出条件下的开路电压的区别 21

5.3比较不同电路结构的温差发电模块的输出功率。 22

引言

新能源，绿色能源，高效能源利用技术，环保技术日益受到人们关注，温差发电技术作为一种新型热点技术成为新时期的热点。温差发电所基于的原理是塞贝克效应，而半导体温差发电片是其中代表，相较于其他热电元件半导体温差发电片体积小，更加轻薄适合应用于狭小空间，转化效率也相对较高。 关于温差发电技术最早的应用，是 Maheawan 利用置于屋顶的钢板吸收太阳能集热升温与周围环境之间的温度差进行发电，并将所得电能带动轴流风机，引导屋顶的空气自然对流，从而实现给屋顶降温。^[1]但是当时温差发电技术转化效率非常低而其对于温度变化的灵敏度很高，因此这项技术主要应用在军事，航天以及温度指示方面。现在随着人们对于温差发电材料和热电元件的不断研究探索，温差发电技术日趋成熟，转化效率也不断得到提高，越来越多的热电元件进入到人们生活当中。

目前，我国在温差发电方面的研究主要是针对工厂烟囱，尾气处理，以及在高温指示方面，而对于热点元件效率的提升进行的研究更多的是提升原件材料本身的热电转化效率。

基于热电技术的器件有很多，比如热电偶，无冷媒冰箱，半导体温差发电片等等，在这其中半导体温差发电片由于其有体积小，重量轻，介质可选择范围广等优点成为人们目前研究热点技术的热点。在不同的温度条件下，以不同材质构成的半导体温差发电片的ZTU值也不同，因此可以根据条件灵活地选择相应ZTU值较高的半导体材料来提高温差发电片的转化效率，比如在60~120℃范围内碲化锑材料的温差发电片ZTU值最高，在120~2800℃范围应选择碲化铅材质，在更高的温度范围内常常采用锗化硅作为材质。

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; Chen Lingen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; 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。^[2]以上的研究大都是针对于提高温差发电元件自身效率和结构，实际设计基于温差发电技术的装置时温差发电片的串联以及并联电路结构也会影响到装置整体发电效率。

本文基于塞贝克效应并用型号为SEEBACKTEP-100型半导体温差发电片设计了多种电路方案，通过改变供热条件，变更外部所加电阻，测量其工作参数

第一章 主要原理依据

1.1塞贝克效应：两种材质不同的导体或半导体相互接触，当两接触点存在温差时，回路中会产生电流，此电流称为热电流，其电动势称为温差电动势。其方向取决于温度梯度的方向。一般规定热电势方向为：在热端电流由负流向正。（如图1.1）

数学表达式为：,其中k为塞贝克系数为冷端温度，为热端温度。

1.2半导体温差发电片工作的微观原理：

半导体温差发电片是基于塞贝克效应将P型N型两种不同的热电半导体材料构成PN结从而制成温差发电器件，^[3] 热端激发出更多载流子同漂移作用最终相互抵消达到动态平衡状态，最终在两端形成电动势。

第二章 实验设备

2.1温差发电元件：型号为SEEBACK-TEP100半导体温差发电片（四片）

在温差稳定在300℃左右时，单片型号为SEEBACK-TEP100温差发电片最大开路电压约为4.8V，其开路电压随温度关系如图2.1所示。当热端温度在120℃左右时，单片温差发电片的内阻约为427.86Ω。

图2.1 单片型号SEEBACK-TEP100温差发电片U-ΔT图

2.2供热设备：型号为调压器一个；均热板一块：其尺寸为，质地为 铜；型号为电炉一个。

2.3降温设备：额定参数为12V，0.25A的风扇一个；散热器一个，其尺寸为，质地为铝合金。

2.4测量设备：热电偶两个，型号为数字万用表两台。

2.5其他：LM317直流稳压模块一个，变阻器一个，直流可调电源一个，导热硅脂若干。

第三章 实验内容

3.1实验装置

在温差发电片冷端热端都均匀涂抹导热硅脂。将热端紧贴均热板一侧，冷端紧贴散热器光滑面。为了避免温差发电片冷端过热同时进一步扩大温差以提高输出电压，在散热器另一侧固定风扇用于为其降温。将均热板未贴有温差发电片的一侧盖于电炉上，构成如图3.1所示的温差发电模块。

图3.1 温差发电模块结构图

3.2实验条件

通过调压器使电炉稳定工作温度范围为110~130℃，用直流电源为风扇提供稳定直流电压，风扇输出功率为4W从而达到为温差发电片冷端降温， 用两个热电偶分别插入至均热板和散热器靠近温差发电片一侧，实时测量冷端和热端的温度，用数字万用表实时测量电路各处电压电流。

3.3实验方案

相同升温条件，外部电源驱动风扇下，不同串并联方式发电功率变化和实际内阻变化；

通过调压器调节输入交流电稳定于180V，此时电炉稳定工作温度为℃，用铂电阻和热电偶测量温差发电片冷热两端温差，用直流电源为离心风扇提供稳定8v电压，八只数字万用表实时测量电路各处电压电流。

将温差发电片分别以四片串联结构、四片并联结构以及四片混联的结构三种方案联结，在实验条件下测量其开路电压，负载为2000Ω时的输出电压，回路电流和输出功率，并计算三种方案在稳定工作时的内阻。

第四章 实验结果

4.1四片温差发电片串联

4.11测量结果

采用如图五所示的电路将温差发电片依次串联后,在试验条件下测得的开路电压U随温差ΔT之间的关系如图六所示，图七为外接负载为2kΩ时，输出功率P随温差ΔT之间的变化关系，当外接负载变化时，输出功率变化情况为表一。

图4.1.5四片串联输出功率与负载电阻关系图

表4.1.1四片温差发电片串联后输出功率与负载电阻关系

4.1.2电路特点

（1）四片温差发电片首尾依次相连后，当温差发电片两侧温差达到77，16℃时，输出电压达到10.84V，具有较高发电效果，大约为是单片温差发电片在相同温差条件下的3.8倍左右；

（2）当外接2kΩ负载电阻时，当装置稳定工作于热端129.62℃时，冷端28.85℃，此时温差为可以提供10.96W的较高的输出功率。

（3）由图4.1.4和表一中输出功率随温差变化曲线，可以推算出在此时（冷热两端相差80℃），此发电系统的匹配负载为1.8kΩ

4.2四片温差发电片并联测量结果

采用如图4.2.1所示的电路将SEEBACK-TEP100型发电片依次并联后,下测得的输出电压U随温差ΔT之间的关系如图4.21，图4.22为外接负载为2kΩ时，输出功率P随温差ΔT之间的变化关系，当外接负载变化时，输出功率变化情况为表4.2.1。

表4.2.1四片半导体温差发电片并联后输出功率随负载电阻变化关系

4.2.2电路特点

（1）四片温差发电片相互以并联方式构成温差发电系统，，当温差发电片两侧温差达到77，16℃时，输出电压达大约为是单片温差发电片在相同温差条件下的3.8倍左右；。

（2）当外接2kΩ的负载电阻时输出功率非常小仅只有1.6w，远远小于单片温差发电片在相同环境下的输出功率，四片温差发电片串联后的输出功率更为四片温差发电片并联后的输出功率的7倍左右。类比于化学电源的串并联关系，并联以后温差发电模块的总内阻变小，相较于2kΩ的负载要小得多，从而导致外部电路获得的电流更小，减少了输出效果，因此2kΩ对于采用并联方案的发电系统是不匹配的电阻。

（3）基于以上分析，将外部负载电阻调节在100~1900Ω范围内变化，可以看出大致在900Ω左右。

4.3混联结构：四片温差发电片分为两组，一组两片串联，两组之间采用并联结构。

采用如图4.3.1的混联结构。,在试验条件下的电动势U随温差ΔT曲线（图4.3.2），图4.3.3为外接负载为2kΩ时，输出功率P随温差ΔT之间的变化关系，当外接负载变化时，输出功率变化情况为表三。

4.3.3混联后输出功率随温差关系

表4.3.1开路电压随温差关系表

4.2.2电路特点

（1）采用混联结构方案，最大输出电压相较于四片温差发电片串联后的输出电压较小,但大约为1.8倍的四片并联结构的输出电压。

（2）当外接2kΩ的负载电阻时输出功率达到7.36w，类比于化学电源的串并联关系，并联以后温差发电模块的总内阻变小，相较于2kΩ的负载依然较小，但是由于其通过增加串联的成分，输出性能相较于4.2中的并联型发电系统有了较大的提升，可以当负载为相对在4.1和4.2方案之间的阻值时达到较大电功率输出。

（3）基于以上分析，将外部负载电阻调节在100~1900Ω范围内变化，可以看出大致在900Ω左右。

第五章 实验结果的分析和讨论

5.1探究串联电路结构对于输出电压的影响；

比较实验结果，在温差稳定在300摄氏度左右时，单片型号为SEEBACK-TEP100温差发电片最大开路电压约为4.8V，其开路电压随温度关系如图一所示。同样在温差稳定在300摄氏度左右，两片温差发电片串联时最大开路电压为6V左右其开路电压随温度关系曲线如图5.1所示。^[4]

从理论上，n个理想电池串联时，其总开路电压与每个电池开路电压的关系为。依据此公式画出理想四个温差发电片串联后开路电压随温度关系曲线，并将其与实际曲线作比较。

根据理论计算，四片温差发电片串联结构输出电压应为单片输出电压的四倍，两片温差发电片串联结构输出电压应为单片输出电压的两倍。比较图5.1.1，图5.1.2，图5.1.3，我们发现实际输出效果远远低于理论预期:两片串联结构输出电压不足一片两倍，四片串联结构输出甚至不足一片输出电压的三倍，串联数量越多电压损失越明显。

讨论：猜测该现象是不同温差发电片的实际电压不同，在串联结构中出现回流所导致。为了验证该猜想，在两片之间串联了二极管，用于阻隔反向回流电流，重新进行了测量串联二极管前后效果比较如图四所示。

通过比较串联二极管前后输出电压大小我们清晰看到，在两片温差发电片之间串联二极管后，输出电压有了显著提升，从而进一步验证了猜想：由于不同温差发电片发电时的温差条件和内部结构的存在微小差别，实际工作时两片之间存在电势差，产生了回流现象，进一步外部表现为发电模块整体发电电压下降现象。采用二极管的单向导通特性可以很好的阻断反向电流，抑制回流现象。

5.3发电模块U-t输出特性分析

4 块温差发电片并联连接与串联连接后的发电功率随电炉加热时间的变化规律。从图 2 中可以看出并联连接发电功率从 0 开始缓慢上升，此时发电片冷热端温度均在常温；随时间推移，热端温度升高，温差拉大升，发电功率迅速提升，但是持续时间仅在 26min 至 32min 之间，在 32min 时功率达到最大值为 4.8W。其主要原因为初始阶段冷热端温差几乎不存在，两者温度均为常温，随时间推移热端温度率先升高，在此过程中冷端温度滞后于热端温度升高，此时发电功率呈现上升趋势；到 32min 之后热端温度稳定，冷端温度继续升高，冷热端温差降低，因此发电功率呈现出降低趋势；当冷端温度升高到一定值时不再升高，发电功率稳定在 3.2W。

基于此结果同温差发电片的ZTU值随温度关系进行比较，加热开始时温差较小，冷热端温度差别不大，ZTU值较小，此时曲线斜率比较小，开路电压和输出功率上升速度都较小，符合了实验所测得的曲线中前小段较为平缓的部分。随着加热时间进一步进行，开路电压曲线和输出功率曲线都出现了非常明显的迅速上升，其斜率都较大，这一方面是由于热端温度迅速上升，而冷端在散热器、风扇的共同降温作用下以及材料本身的导热性能的影响下，升温速度相较于热端升温速度可以说非常小，温差在这段时间变化较大。另一方面，这段时间内热端的温度大约在90℃，冷端温度大约为23℃，这符合了以碲化锑作为P-N结主要材料的半导体温差发电片在60-120℃范围内ZTU值较大的特性，可以大致看出SEEBACK-TEEP100型半导体温差发电片的主要半导体材料为碲化锑，属于民用型低温半导体温差发电片。在输出曲线的后半段，曲线再一次呈现平缓趋势，一方面是由于温差发电片导热性导致冷端的温度升高，降低温差的扩大速率，从而抑制了输出电压以及输出功率的提高。另一方面此时热端温度已经达到120~140℃左右，已经进入碲化锑材料的半导体温差发电片的ZTU值下降范围，因此进一步加热会导致温差发电模块的输出效率的降低。

比较串联型的温差发电模块和并联型，可以看出串联型温差发电模块在后半段曲线输出曲线衰减更加剧烈，前半段曲线上升更加剧烈。联系直流电源的串并联特性，串联以后提高了温差发电模块的内阻，当温度升高时，电源内阻也随着温度不端上升，在前半段，四篇温差发电片ZTU值很高，可以提供的电压和功率占主要方面，而内阻消耗的输出功率相对自身输出总量的升高比较小，属于次要方面，因而在总体曲线中表现为迅速升高；而并联温差发电片相当与只有一片温差发电片提供输出电压，但同时由于并联的电路逻辑关系大大降低了温差发电模块的内阻，因而在前半段并联型的温差发电模块随着温度升高时输出总量升高速率占主要方面，内阻功耗对于输出总量消耗较小，但是相较于串联型温差发电模块，并联型温差发电模块输出总量要小的多，因而相同的功耗反而会使曲线上升速率更加明显。

而在后半段热端温度大于120℃时，串联型温差发电模块输出曲线斜率下降更多，输出功率提升相较于并联型温差发电模块更为缓慢，这是由于四片半导体温差发电片的ZTU值均有所下降，导致温差扩大以后输出总量上升不大。而在高温范围内阻随温度进一步上升，在串联关系中，串联电源内阻上升体现在总内阻上的提高比并联更加显著，从而进一步在输出总量中的所占比重进一步提高，因而在高温范围，串联型温差发电片内阻功耗抑制更加明显，在表观的温差发电模块的输出曲线上体现为斜率变小，曲线较并联型温差发电模块输出曲线更加平缓。

因此型号为SEEBACK-TEP100的半导体温差发电片串联型温差发电模块适合使用于温度在100-120℃范围内温度变化不大的加热条件而并联更加实用与在100-200℃范围内变化并且对于输出总量要求较少的情形。

5.2 比较不同电路结构在相同输出条件下的开路电压的区别

电炉稳定工作于127℃左右时，风扇稳定工作在8.1V，外接100Ω负载时，四片温差发电片串联后，当温差发电片两侧温差达到77，16℃时，发电模块开路电压达到10.84V，具有较高的开路电压，大约为是单片温差发电片在相同温差条件下的3.8倍左右；当火炉稳定工作在117℃时，风扇工作在8.2V，0.24A，温差发电片获得最大的温差为83℃，四片温差发电片并联以后最大输出电压约为3.66V，相较于单片温差发电片和四片温差发电片串联后的开路电压较小。^[5]将单片温差发电片开路电压与四片温差发电片输出性能相比较，可以看出四片并联后的温差发电片的开路电压大约为与单片开路电压相近。混联结构：四片温差发电片分为两组，一组两片串联，两组之间采用并联结构，最大输出电压约为6V,相较于四片温差发电片串联后的开路电压较小,但大约为1.8倍的四片并联结构的输出电压。

类比于化学电源，从理论上，n个理想电池串联时，其总开路电压与每个电池开路电压的关系为。

n个理想电池并联式其输出电压为，所以多片并联以后实际说出和单片输出电压相近。

5.3比较不同电路结构的温差发电模块的输出功率。

对串并联电源的内阻计算如下：假设实际温差发电模块由 个半导体温差发电片如下图形式进行混联，件为 个，共有 行并联连接。^[6]

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