半导体温差发电沙漠应用的研究

半导体温差发电沙漠应用的研究

【摘要】沙漠的沙表和沙子内部具有较大的温差，可以被作为温差发电的材料，利用沙表的热能和底部的温差，通过对装置结构的研究设计，完成了一个无需风冷水冷的可以在沙漠应用的温差能发电系统。

【关键词】温差发电；半导体；沙漠温差发电装置

一、半导体温差发电沙漠应用的背景

随着能源与环境问题的日益突出，公众环保意识的增强，世界各国为寻求能源安全和人类社会的可持续发展，新能源的开发和使用已经是当下热议的一个新话题。温差晶片发电技术是一种直接将热能转化为电能的发电技术，具有无运动部件，体积小，重量轻，移动方便和可靠性高等特点，是绿色环保的发电方式。

去过新疆甘肃等省份旅游的人都知道，沙漠戈壁表面的温度是相当高的，在新疆吐鲁番，沙表的温度可以达到70—80度，然而，在经过短短的几米深度后，沙子的温度就立刻降到了10—20度左右，存在一个相当大的温差。

所以，本实验的研究目的便是利用这样的温差来制备电能，利用沙表和底部的温差完成一个无风冷水冷冷却系统的适用于沙漠的温差发电技术。

二、温差电制冷的理论原理

1.塞贝克效应

根据资料描述[1]，两种不同金属组成的闭合线路中，两接触点的温度不同，就会在两接触点间产生一个电势差，同时闭合线路中就会有电流流过，称为温差电流。

其中αab为塞贝克系数，单位为V/K，更常用的是μV/K，通常规定，若电流在图1示结点2处由导体A流向导体B，则其塞贝克系数αab为正，反之为负。

可以看出，塞贝克系数是温差电导体材料的一种固有特性，与热端冷端的温差大小无关。

2.珀尔贴效应

当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，节点上将产生吸热或放热的现象。这是一种和塞贝克效应相反的现象。

由帕尔贴效应产生的热量称作帕尔贴热，用符号Qp表示，材料的帕尔贴效应强弱由其帕尔贴系数π表示：

帕尔贴系数的单位是W/A，规定若电流在图示结点2处由导体A流向导体B，则其帕尔贴系数αab为正，反之为负。

帕尔贴效应还可以有这样的解释，电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量，相反从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量，能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。

3.汤姆逊效应

电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收或放出热量。汤姆逊效应产生的热量被称作汤姆逊热，用符号Qr表示，与塞贝克效应和汤姆逊效应不同的是，汤姆逊效应仅发生在单一导体中而不是由两种不同导体产生的现象。

于是，半导体温差发电器的工作效率可以表示为：

四、半导体温差发电沙漠应用的实验讨论

1.沙子导热性的研究

温差发电器的发电性能不仅与热电模块两端的温差有关，还与其热、冷两端

换热器的性能密切相关。而且热源热流量较低时，强化冷端的传热并不会显著提高发电器的输出功率；而当热源热流量较大时，强化冷端的传热，将会大大提高发电器的输出功率[2]。

由于本文讨论的是半导体的沙漠应用的内容，从实际的情况看来，在海平面上的标准峰值强度为1KW/m2，在没有制作集热装置的前提下，热源热流量较低，而且研究初衷是希望制作不通过其他能源散热的温差发电装置，故而冷端的传热方式不采取自然对流以外的手段。那么，砂石的导热性是否能满足冷端的散热要求便成为了要讨论的重点。

实验对象是体积为0.2304平方米的干黄沙，冷端的散热方式是。铜棒的热传导散热，结果如图3。

2.温差发电沙漠应用装置的实验研究

（1）实验系统的设计

参考在文献中的描述[3]，这里从实际情况出发建立了一个热力学的模型图4。不难看出，在实际制作装置的过程中，需要注意的就是热源和冷源之间的热量损失，其中虚线内的部分是发电片内部的能量转换过程，这部分的漏热在实验装置上是不可避免的，而我们需要完成的装置最大的问题之一也就在于如何尽可能减少热源直接流向冷源的热量损失。

装置的基本原理都是加热发电片的热端，散热发电片的冷端。基本的模型是图5。[4]

由于考虑到实际的应用中，热端在上，热量来自太阳光，冷端在下，传热依靠沙子，所以发电片应该设计在其中间的位置。

要满足的基本要求是要保证持续的稳定的尽可能大的温差，我们应该保证冷端做到尽可能少的从外界吸收多余的热量，尽可能多的从沙子中将热量排出。

鉴于以上的设计要求，利用加热器实现热辐射加热，热端设计一块紫铜片，冷端利用铜棒传热并添加翼板，热端冷端间做好隔热工作，避免外界的热对流热辐射对其造成升温。我们设计了四种可能的方案来比较发电量大小。

①在冷端不安装隔热装置，由加热器加热发电片，下连冷端。

②在冷端安装隔热装置，由加热器加热发电片。

③用铜板整个盖住整个装置，用加热器加热铜板，通过铜板将热传至发电片，整个沙子的部分作为冷端。

④利用凹面镜聚光的原理集热，使热端获得更多能量，并且在冷端安装隔热装置。

实验表明，第4种方案产电量最大。

（2）发电片的选择

（3）实验结果分析

由于第四种方案最优，所以实验结果仅对第四种方案进行研究。

①功率分析

经实验测得，系统整体阻值在103Ω，故，输出功率随时间变化结果如图6，功率随时间变化关系基本与电压随时间变化关系一致，分析图线可以得知，工作稳定后平均输出功率在0.8W左右。

根据厂家给出的塞贝克系数和公式10绘制了理论的图线和实际的图线相比较（图7），结果基本吻合，即本次的实验结果基本符合理论事实。

②效率分析

根据公式13进行计算，得出效率随温差的变化曲线（图8）。

可以看出，不经过水冷风冷的发电片，效率平均在1%不到。

小结

本实验探讨了一种不通过风冷水冷而进行沙漠温差能发电应用的构想，并且在各个方面做了尝试，最终产生了这样一种不需要其他能源驱动不需要其他能源冷却的轻便发电装置。相信在未来沙漠的开发当中，这可能是一种制备能源的新思路。本次使用的发电片面积为0.0121m2，制备的输出功率为0.8W左右，每平方米则可以制备出66W的能源，这点能源沙漠中可以解燃眉之急，而且相比太阳能这种装置更为隐蔽，虽然在发电量上不及太阳能，在更好的集热条件下，该装置会有更好的表现。

参考文献：

[1]卞之.温差电制冷及其应用技术【M】. 2007.

[2]周泽广，朱冬生，吴红霞，张鸿声.温差发电器的传热特性分析与实验研究.华南理工大学学报【J】，2011.11，39（11），51.

[3]李伟江.低温差下半导体温差发电模块性能分析与实验研究【学位论文】.硕士，45.

[4]（苏）伯尔斯坦（А.С.Бернштейн）.温差电【M】，1958.

通讯作者：

任莉，女，讲师，博士，研究方向为凝聚态理论方面。

；上海工程技术大学大学生创新活动计划资助项目（cx1321004）。