半导体温差发电器的性能测试

半导体温差发电器的性能测试
半导体温差发电器的性能测试
梁高卫1、2，周孑民1，黄学章1，徐冰1，张韬1
梁高卫1、2，周孑民1，黄学章1，徐冰1，张韬1
（1：中南大学能源科学与工程学院，长沙，410083；2：邵阳学院，邵阳，422000）
（1：中南大学能源科学与工程学院，长沙，410083；2：邵阳学院，邵阳，422000）
摘要：
摘要：
介绍了温差发电器的基本原理，并对已有的温差发电器进行了性能测试，尽量减小的外界的影响，测试精度较高，测试结果与塞贝克效应吻合。

介绍了温差发电器的基本原理，并对已有的温差发电器进行了性能测试，尽量减小的外界的影响，测试精度较高，测试结果与塞贝克效应吻合。

关键词：
温差发电器；性能；测试
1.引言
2.引言
根据塞贝克效应，半导体温差发电器能够直接将热能转换为电能，由于其没有任何运动部件、无震动无噪音无泄露、结构简单、安全可靠、使用寿命长等特点，温差发电技术目前已广泛应用于航天、国防、医学和科技等领域[1]。

近年来，随着节能技术的不断发展，将半导体温差发电器用于低品味热源的余热回收成为发达国家的研究热点，如：美国研究了利用汽车发动机尾气的余热进行发电；日本正研究利用垃圾焚烧后产生的热能进行发电的技术等[2]。

目前国际上已经有了一些较为成熟的温差发电民用产品，而我国尽管有部分高校和研究机构在从事该方向的研究，但在将温差发电技术用于民
用几乎还是个空白[3]。

对温差发电器的性能研究是开发温差发电产品的基础，但目前国内对温差发电器的研究主要集中在温差电材料的研究及温差发电器的热电偶单体的研究，对发电器整体热电性能的研究还比较少。

本文着重介绍了温差发电器的基本原理，并通过实验来测试温差发电器的温差电性能，并验证温差发电器发电过程中的一些基本规律。

3. 温差发电器的基本原理
塞贝克效应[4]是热能转换为电能的现象。

如图1所示，对于两个不同的导体串联组成的回路，如果两个接头1和2维持在不同的温度1T 和2T )(21T T >，则在导体b 的开路位置y 和z 之间，将会有个电位差出现，其数值为：
)(21T T V ab YZ -=α
其中，ab α为塞贝克系数。

导体a
T 12
y
图1 塞贝克效应示意图
当温差)(21T T T -=△不是很大的时候，可以认定塞贝克系数ab α为常数。

在实际应用中的温差发电器中，通常是按照如图2所示的方式，用金属导流片（通常是用铜做导流片材料）将P 型和N 型的半导体热电材料连接后，固定在氧化铝陶瓷基板上。

当上下两块氧化铝陶瓷板上存在温差时，会在图示的负载L R 两端施压一个电压，其作用就是一个发电器。

132
R L
P N
图2 温差发电器简单模型
1——导流片 2——氧化铝陶瓷片 3——半导体温差电材料
4. 温差电性能测试
半导体温差发电器的电气性能主要包括：开路电压、温差、内阻、输出功率等，为便于测试，首先要搭建一个实验装置。

3.1 搭建实验装置
为准确测试半导体温差发电器的性能，按照如图3所示搭建了一个实验装置。

冷却水流入
加热部分
测试部分 冷却部分
冷却水流出
图3 温差发电器性能测试示意图
实验装置包括三个部分，分别为加热部分、冷却部分和测试部分。

在加热部分，利用加热板给温差发电器的热端加热，通过控制加载在加热板上加热丝的电压，来控制发电器热端的温度，即控制h T 。

在冷却部分，利用水冷方式来对发电器冷端进行冷却，通过调节冷却水的温度和流量来控制发电器冷端的温度，即控制c T 。

在测试部分，温度h T 和c T 均采用镍铬—康铜热电偶进行测温，测温范围为0~800℃，精度为0.1℃。

电压V 和电流I 均采用Agilent U1252A 万用表测试。

为尽量减小测试过程中系统受对流、辐射等影响，冷却部分和加热部分均封闭在用隔热材料包裹的环境中。

为减小接触热阻的影响，在温差发电器热端与加热板、冷端与冷却板之间涂上高导热系数的导热膏。

3.2 空载性能测试
在图3的实验装置中，测试单片热电发电器的性能，热电发电器采用厦门纳米克公司生产的热电片，型号为TEP1-1264-1.5，外形尺寸为40*40*4.1mm ，内部为126对Bi2Te3热电偶，Bi2Te3热电材料为目前在室温范围内使用最广泛的温差电材料[5]。

将开关K 的位置打到1，将温差发电器冷端的温度c T 恒定到300K ，同时不断缓慢升高热端温度h T ，使得h T 从300K 不断升高到400K ；即在冷端温度恒定的时候，提高温差发电器的温差T △。

同时测试发电系统的开路电压V ，此电压将随着T △的改变而改变。

图4是温差发电器开路电压与温差的关系曲线图。

图4 温差发电器开路电压与温差的关系曲线图
根据塞贝克效应T T T V ab c h ab △αα=-=)(可以知道，在温差不大的情况下，塞贝克系数ab α可以认定为常数，故开路电压V 和温差T △成线性关系。

由图4可以看出，除去测量误差及外界的影响，温差发电器的开路电压V 和温差T △成线性关系。

即通过实验证明了塞贝克效应。

通过实验可得出，对于单片TEP1-1264-1.5热电片，其开路电压V 和温差T △满足关系式： T V ∆≈*042.0 （ 1(1)
Sd T V ∆≈*042.0。

有图5可以看出，在带有负载的情况下，负载电压out V 与温差T △成线性关系。

由图6可以知道：当Ω≈3L R 时，负载功率最大，由此可以得出一片TEC1-12706温差发电器的内阻Ω≈3R ，而厂家提供的热电器的内阻为Ω3，也就是说可以利用这个实验间接地测试温差发电器的内阻R 。

5. 结论
设计了一个实验装置，对温差发电器进行了实验测试，测试结果显示：温差发电器的温差和开路电压成线性关系；当负载阻抗等于发电器的内阻时，温差发电器具有最大的输出功率。

这些实验结果与塞贝克效应一致。

参 考 文 献
1. S B Riffat , Xiaoli Ma.Thermoelect rics: a review of present and potential applications
[ J ] . Applied Thermal Engineering. 2003 ,23 :9132935
2. 栾伟玲，涂善东.温差电技术的研究进展.科学通报.第49卷 第11期.2004年6月
3. 郑文波，王禹，吴知非，黄志勇，周世新.温差发电器热电性能测试平台的搭建.实验技术与管
理.第23卷，第11期.2006年11月
4. 高敏，张景韶，D.M..Rowe.温差電转换及其应用.兵器工业出版社.1996年.7~9
5. 刘宏，王继扬.半导体热电材料研究进展.功能材料.2000 31（2）
Properties Testing of semiconductor
thermoelectric genertor
Gaowei LIang1、2，Jiemin Zhou1，Xuezhang Huang1，Bing Xu1，Tao Zhang1 （1：School of Energy Science and Engineering ,Central South University ，Changsha ，410083；2：Shao Y ang
University ，Shaoyang ，422000）
Abstract:
Introducing the principle of semiconductor thermoelectric genertor, and electrical propreties of semiconductor thermalelectric genertor is tested, and the external impact of the test is minimized. The results are relative accurate which correspond to Seebeck Effect.
Keywords:
thermoelectric genertor; properties testing。