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半导体温差发电组件的应用

2017-05-17  来自: 安阳市阳光科教能源有限公司 浏览次数:704

      在此,我们介绍一种新型的半导体温差发电模块,对其性能进行研究,并在此基础上构建了一套小型发电系统,可利用煤灶、篝火等进行发电。并将发的电储在蓄电池中,从而用以照明等。

      半导体温度发电模块,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-T1)。式中:As为塞贝克系数,其单位为V K或LV K.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40mm×40mm×4mm,共有127对PN结,具有一定的耐高温特性(热端稳定工作温度可达180℃,最高短时冲击温度220℃),热电转化效率为11.7%。

      我国是世界的产煤大国兼农业大国,在广大的农村地区,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手机、蓄电池充电或直接带动节能灯,低功耗电视等其它负载。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。

      基于温差发电模块组的盛水器装置,我们设计的装置是,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200℃。

      我们采用电炉作为热源,控制热端温度在180-200℃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50~60℃。

      通过实验,我们可以看出,半导体温差发电模块作为电源,其串并联的情况与其它电源的串并联并无本质区别。

新疆一科研所曾利用发电组件,制作了家用炉灶(炉子烧的是山上的柴草)发电装置。通过散热片把发电组件固定在炉子壁上,冷面散热采用空心的铝板,让山上的冰水从其中流过,散热效果很好。能够较好地保持发电组件两面的温差。发电效果不错。

     日本东芝公司开发温差发电设备

     日本东芝公司最近公布,该公司已开发出一种利用温差发电的设备。这种设备可将排放到大气中的汽车尾气、工厂排出的热气等进行再利用。东芝计划从2005年起批量生产这种设备。

  据本地媒体报道,这种设备的形状为边长为4厘米的板状正方形。其工作方式是其中一个面受热,另一面采用汽车运动中的风来冷却,使发电组件两面间存在温差,通过内置的半导体进行发电。目前市场上销售的其它公司生产的同类产品的耐热性仅为200度,东芝的这种新产品则能承受汽车引擎排出的300度以上的热气,并由此转化为可供车内使用的电力,实现废气再利用。

使用普通燃料或利用余热热源来发电:

      使用普通化石燃料作热源以形成温差发电器的实用系统,首推美国专为野外使用而生产的军用电源。它们以各类军队常用的燃油燃烧产生的热量为热源转换为供给战场,尤其是前沿阵地各种电器设备的电能。由于在这些环境中低噪声、能快速启动、能长期连续工作、易携带、维护方便、后勤保障便利等,是使用方首要的考虑,在这些方面,温差电转换发电器大大优于常用的内燃式驱动发电机和化学蓄电池。1988年美国生产了一种外型41.2cmX42.2cmX27.3cm的燃烧式温差发电器。该设备的发电元件由120对热电偶组成,可使用多种军用燃油,一次装载后能连续工作12小时,产生13.1V直流电压,向负载提供120W的电功率。

       随着环保意识的加强,以及对传统能源未来中间匮缺的担心,充分利用余热发电的技术手段日益受到关注。2003年黎巴嫩大学的学者将温差电发电器的热端与该国的一种做饭用的火炉外壁连接,冷端置于空气中,利用炉壁的高温与环境的温差来发电。其实验中所使用的温差电元件即产自中国,因为中国的元件性价比最高,该设备实验中单片元件可产生4W的电功率。中国目前已成为世界上最大的温差电元件生产出口国,这为我国未来温差电的广泛应用打下了坚实的基础。

       我们只是抛砖引玉,为大家进一步开发出更多更好的温差发电器,提供参考。

注意:

#发电组件的两面达到温差60度时,电压3.5伏,电流3安。若温差在0—60度之间,电压在0—3.5V之间变化,电流在0—3A之间变化。

#安装时发电组件两面都要加上金属散热片,能保证组件的热面均匀受热,冷面要有很好的散热条件,如:风冷、水冷等方式。

#使用时,热面温度不能超过200度。


关键词: 半导体温差发电组件的应用           

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