基于塞贝克效应的热电转换装置的研究

刘兴云　杨火祥　付晶晶　刘梦辉　翟俭超　鲁池梅湖北师范学院 物理与电子科学学院　湖北黄石　435002



基于塞贝克效应的热电转换装置的研究

刘兴云杨火祥付晶晶刘梦辉翟俭超鲁池梅
湖北师范学院 物理与电子科学学院湖北黄石435002

【文章摘要】

自21世纪以来，能源危机越来越严重，进而成为人类越来越关注和需要解决的首要问题。把人类生产生活中所废弃的热能很好的进行利用，无疑可以在一定的程度上缓解日益严重的能源危机。热电转换装置则是一种把人们生活中所浪费的热能收集起来，利用塞贝克效应转换成电能并将其电压稳定然后供给移动设备或储能设备。提高能源的利用率，实现节能的理念。

【关键词】

热电转换；稳压电源；塞贝克效应；节能

0　引言

自21世纪以来，能源问题越来越成为人类需要解决的首要问题。把人们生活生产中废弃的热能利用起来，无疑可以在一定程度上缓解能源危机。热电转换装置正是把人们废弃的余热（空调、汽车等的热能）进行充分利用供设备使用，提高了能源的使用率，实现了节能的理念。

1　系统方案

塞贝克效应表明将半导体A（N型半导体）和B（P型半导体）的两端相互紧密接触组成环路，在两连接处保持不同温度T1与T2，则在环路中将由于温度差而产生温差电动势。热电转换片是利用赛贝克效应做成的一种装置，当热电转换片两端温度不同时，就会在热电转换片两端产生温差电动势。若热电转换片的一端利用废弃的余热加热，另一端是常温，就会产生温差电动势。本系统正是利用这种温差电动势提供电能达到热能利用的目的。

图1　系统框图

图2　塞贝克效应原理图

图3　稳压电路图

整个系统由热电转换部分、稳压模块和储能模块三部分组成。热电转换部分由16片热电转换片串联，在热电转换片一端接触储水箱，水箱内部热水提供热端温度（模拟热端热源），热电转换片另一端与空气接触作为冷端温度室温，并且在冷端使用散热片，根据塞贝克效应，当冷热端产生温差就会在回路中产生电动势进而产生电流。产生的电流经过稳压模块将输出电压稳定在5V。可以供手机充电使用，或者供储能设备将能量储存起来。更好的将能源利用。

2　系统实施

2.1储水箱实现温差

用铝合金制作长方体储水箱，将热水倒入储水箱便可模拟冰箱、空调等发生余热的电器，水箱内部温度与外界温度形成温差，便可利用塞贝克效应进行发电工作。

2.2热电转换片

热电转换片由很多温差电偶组成，温差电偶由许多N型半导体(一种掺杂后，会放出自由电子的半导体)和P型半导体（一种掺杂后，会放出空穴的半导体）颗粒互相排列而成，而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好的一个热传递的工具。

由于使用金属作为材料一般赛贝克系数不会很理想，我们就使用半导体材料来作为冷端和热端，以达到更高的电动势。将N型半导体和P型半导体串联起来，当N型半导体放在热端，P型半导体放在冷端时，就会产生电流，进而产生电压。

实验研究发现，电动势的大小和两接点间的温差有关，可表示为如下关系式（1）

Vab=a1(Tb-Tc)+(a2/2)(Tb-Tc)²+L（1）

根据公式，我们可以采用升高热源温度和降低冷端温度的办法来提高电动势。热源我们采用水箱里的水，冷源我们使用散热片来尽可能的使温差电偶的冷端温度达到室温。

2.3稳压电路

如图3，JP1两端连接热电转换片，闭合开关S1后，JP1两端电压经过7805转换使电压稳定在5V，可以直接给其他设备供电。

2.4储能装置

储能装置的目的是将系统产生的电能储存起来，在本系统中储能装置使用的是锂电池，系统给锂电池充电，锂电池充电之后可以直接供给其他设备用电，比如给手机充电等。

3　实验结果

经测量，当储水箱内部与外部温差达到26℃时，便可输出5V电压，输出的电压经过变换后可以供手机等移动设备使用，当储水箱内外温差达到60℃时，便可输出12V电压。

图5　输出电压随温差成线性变化图

4　结束语

温差电偶不需要任何制冷剂，故无泄漏，对环境无污染，可连续工作。本作品没有旋转部件，不会产生回转效应。温差电偶没有滑动部件是一种固体片件，因而工作时无震动，无噪声，无磨损、寿命长，安装容易，可靠性高。温差电偶尺寸小，重量轻，适合小容量、小尺寸的特殊的制冷环境。它把人们生活中无意浪费的少量热能进行利用而获得电能供设备使用。热电转换装置仅由制冷片和简单的电路构成，容易控制，调节方便，实用性强，寿命长，可长期使用，性价比高。

图6　作品实物图

【参考文献】

[1]朱建军,李震,张兴.热电器件综合性能表征系统及实验研究[J].工程热物理学报,2013,13(1):133-136.

[2]陈国庆,宁铎,梁栋平,文婷.半导体温差发电实验仪器的研制[J].电子器件,2014,37(2):275-278.

[3]王长宏,林涛,曾志环.半导体温差发电过程的模型分析与数值仿真[J].物理学报,2014,63(19):197201,1-197201,6.

[4]钟峰,唐绪伟,唐晨光.一种智能型火灾烟雾探测与报警系统设计[J].电子制作,2015,20(3):3.

刘兴云（1973-）（通讯作者），男，湖北安陆人，副教授，硕士生导师，主要从事物理实验教学与研究工作。

【作者简介】

基金项目：湖北省教育厅科学研究计划项目（B20132506,XD2014237,D20132505 ,B20132504）。