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1、一种半导体温差发电系统陈允成 吕迎阳 林玉兰 陈 忠(厦门大学物理系 厦门 361005)摘要 介绍了一种新型的半导体温差发电模块,对其性能进行了一些研究,并在此基础上构建了一套小型发电系统,可利用煤灶、篝火等发电、储电从而用以照明等。其中考察了发电模块的不同串并组合矩阵的输出功率,设计了为蓄电池充电的稳压充电电路,并使设计的模块矩阵与蓄电池稳压充电电路匹配,使其输出功率达到最大。关键词 半导体温差发电模块 稳压电路 蓄电池 充电电路ANovelSemiconductorThermoelectricGeneratorChenYunchen
2、g LvYingyang LinYulan Chen Zhong(DepartmentofPhysics,XiamenUniversity,Xiamen361005,China)Abstract AnovelSTM(semiconductorthermoelectricmodule)isintroduced,anditsperformancesaredis2cussed.ThenageneratorsystemisdesignedbasedonthisSTM,whichcanutilizecoalstoveorneedfiretogen2
3、erateelectricity.ThematrixwhichisformedbyseveralpiecesofSTMisinvestigated.Atlast,aregulatorcir2cuitforcharginga12Vstoragebatteryisdesigned,whichcanmatchtheSTMmatrix.Keywords Semiconductorthermoelectricmodule Regulatorcircuit Storagebattery Chargedcircuit1 引 言半导体温度发电器模块(S
4、emiconductorThermo2electricModule)是一种利用温差直接将热能转化为电能的全固态能量转化发电装置,它无需化学反应且无机械移动部分,因而具有无噪音、无污染、无磨损、重量轻、使用寿命长等种种优点,被广泛地用于工业余热、废热的回收利用、航天辅助电力系统等。随着能源的短缺及人们不断提高的环境保护意识,特别是全球气候变暖问题,半导体温差发电技术以其各种优点越来越引起人们的关注。半导体温差发电模块是根据塞贝克效应[1]制成的,即把两种半导体的接合端置于高温,处于低温环境的另一端就可得到电动势E:E=As$T=As(T2-
5、T1)(1)式中:As为塞贝克系数,其单位为VöK或LVöK。塞贝克系数AS是由材料本身的电子能带结构决定的。我们采用的半导体温差发电模块外形尺寸为35mm×35mm×5mm,共有126对PN结,具有一定的耐高温特性(热端稳定工作温度可达250℃,最高短时冲击温度380℃),热电转化效率为417%。我们测得其开路电压与温差之间的关系见图1。由图1可看到温差变化改变1℃,相应的产生0103V的开路电压。图1 开路电压U与温差$T之间的关系2 基于STM的发电系统我国是世界的产煤大国兼农业大国,在广大的农第26卷第8期增刊仪 器 仪 表 学
6、报2005年8月村地区,人们利用煤灶或煤炉烧煤煮饭、取暖等。在北方农村,煤炉通常是24小时持续燃烧。我们利用上述温差发电模块研制发电系统,以便利用煤灶、炉的热能产生电能给蓄电池充电或直接带动节能灯、低功耗电视等其它负载[3]。这一发电系统也适用于野外探险时的篝火,从而解决无市电环境下的用电问题。图2 基于温差发电模块组的盛水器装置示意图图2是我们设计的装置示意图。用底部平整的盛水器,在其底部涂上导热硅脂与温差模块的冷端保持良好的热接触(开水的温度为100℃,所以冷端的温度可维持在120℃～130℃),模块热端向下紧贴在铝片上(也使用导热硅
7、脂)。盛水器与铝片用销钉锁紧以保持温差模块两面与热、冷源的紧密接触。铝片另外有两个支柱用来调节与煤炉或其它热源之间的距离,当热源温度较高时可调大铝片与热源之间的空隙,从而使热端温度不高于250℃。我们采用电炉作为热源,控制热端温度在235～245℃之间。开水沸腾后,测得模块的冷端温度在120～130℃之间,因而STM两端温差最低可维持105～115℃。表1 STM几种串并矩阵的特性半导体温差模块片数即连接方式开路电压(V)等效匹配负载(8)负载端电压(V)电流(A)匹配输出功率(W)1片(É型)3177118012501452片串联(Ê型
8、)6162163160121017563片串联(Ë型)1111220513012611378两组Ë型并联1019104190145212三组Ë型并联111185120165314 我们利用此
