呂學良 姚杰聰 李彬

一種基于溫差發(fā)電片為模塊的配套裝置，設計旨在利用生活中一些可用熱源產生一定功率的電源輸出。通過匹配熱源狀況設計了配套裝置的外形結構和工作電路，并在此基礎上構建了一套小功率發(fā)電、儲電裝置，可利用如空調外機出風熱源，該系統(tǒng)所產生的電能可用來驅動小功率用電器，滿足家居生活的一定需要，且裝置結構簡單，性能可靠，在家庭中裝設不影響美觀，為家居低碳理念的實現(xiàn)提供了一種很好的選擇，有一定的使用和推廣價值。

溫差發(fā)電片；外形設計；空調熱風；家居低碳

當今世界，能源與氣候問題日益突出，在全球氣候變暖的大背景下，低能耗、低排放、低污染的“低碳經濟”時代即將到來。低碳的循環(huán)的能源亟待發(fā)展，對于家居生活的低碳能源倡導，我們還沒有投入足夠的關注。低碳家居作為一個新興理念在未來發(fā)展中將逐漸顯現(xiàn)出其價值。本文關注這一理念，并對家居低碳概念付諸實際行動。溫差作為我們日常生活中極其常見的物理現(xiàn)象，有著其不為大多數人所洞察的潛在能量，目前對于這塊能量的利用還處于初步的階段，我們采用半導體溫度發(fā)電模塊來對熱源能量進行轉化[1]，其具有無噪音、低污染、轉化率相對較高等優(yōu)點，可廣泛地用于對家電廢熱的回收及利用，所產生的電能可作為家庭輔助電力供應系統(tǒng)來使用。

本器件的重要組件為半導體溫差發(fā)電片，其以塞貝爾效應[2]為基本原理制成。半導體溫差發(fā)電是一種將溫差能（熱能）轉化成電能的固體狀態(tài)能量轉化方式。事實上，溫差發(fā)電片在溫差較小的范圍內并不能體現(xiàn)實際的利用價值。本文選擇空調外機出風作為熱源，很大程度上考慮到空調其出風口的溫度相較于環(huán)境存在較為可觀的溫差。

在空調外機的出風口處架一與出風口大小相匹配的圓弧形罩面（其尺寸隨空調設計規(guī)格的不同而調整），照面內部規(guī)則鑲嵌若干溫差發(fā)電片如圖1（a），系統(tǒng)整體功能的實現(xiàn)是通過熱風使得罩面兩側形成一定溫度差，內部的溫差發(fā)電片通過線路排布，整合成效率較高的轉化裝置，所產生的電能經由配置控制電路或儲存在蓄電池或直接加載到用電器上。罩面由五個支架固定在空調外機上，罩面與出風口之間留有空隙，使熱空氣向側面流通，防止外機散熱受阻，引起壓縮機無法工作。發(fā)電片在罩面內部的排布參照太陽能電池方陣，其主件是由溫差發(fā)電片單體串并聯(lián)獲得[3]，其撲拓結構如圖1（b）。

考慮陣列中所有模塊兩端的溫差構成矩陣 T

假設熱電偶的賽貝克系數[4]，模塊的內阻和導熱性都與溫度無關。我們可以將陣列模塊等效為一個電壓源，其開路電壓和電阻分別為和，不考慮輸出電流的限制，所以可計算得：當時，輸出功率取到最大：

這里是單一熱電偶的塞貝克系數； 是與組件相關的導熱性系數； t是組件兩端的溫差。從上式看出，該裝置的輸出功率主要受三個因素影響：發(fā)電片的規(guī)格及性能參數；模塊的陣列拓撲結構；兩端溫差。

溫差發(fā)電罩面包括鋁制外殼層、溫差發(fā)電片、線路排布通道、內殼層、整體電流輸出線路管，溫差發(fā)電片利用軟性導熱硅膠絕緣墊固定在散熱鋁槽所做外殼。軟性硅膠導熱材料有良好的導熱能力、高強的絕緣效果、厚度可選擇、柔軟而富有彈性等特點，引導熱量由內而外，分散熱量使空間內達到均溫。在散熱設計中的應用是很廣泛的。

我們所用的溫差發(fā)電實驗通過構建冷熱源，模擬溫差發(fā)電裝置工作環(huán)境，測定溫差發(fā)電裝置在不同溫差條件下的熱電特性。實驗得出TEC112706T200溫差發(fā)電片發(fā)電特性如下：

表1溫差發(fā)電片測試一試驗組數

實驗條件說明：冷源溫度恒定為30℃；熱源加熱至穩(wěn)定20秒后讀數；熱源初始溫度為35℃，逐漸上升。實驗測試不同溫度等級下的空載電動勢得到變化曲線，兩組全呈線性增長的變化趨勢。由表知，當溫度在45℃到55℃時，其發(fā)電特性接近于水平，能得到穩(wěn)定電壓1V。我們估計在夏季室外的溫度平均可達32℃，而空調外機吹出的熱風的溫度可達70℃左右。這里的溫差在考慮到罩面導熱損耗所產生的的溫差趨近因素，我們可以確定該款溫差發(fā)電片能達到預定的功率輸出。但是顯而易見，其電壓水平達不到正常用電器的工作電壓，所以可以通過上述的陣列排布將多片串并聯(lián)起來提高電壓，并且針對這一溫差發(fā)電組件，設計系統(tǒng)的蓄電電路，將溫差發(fā)電片組件所產生的電能，經過升壓，穩(wěn)壓進而儲存到蓄電池中以備使用，該電路結構簡單，體積小，成本低，而且轉換效率達到了90%以上。

結論：我們通過溫差發(fā)電片模塊化的設計，使其與空調相配套，構成可靠，低碳的發(fā)電系統(tǒng)。并且對該模塊組件進行陣列線路的分析，推導得到該模塊所能輸出的最佳功率的表達。并且選用到一款合適的溫差發(fā)電片，對他的在溫差的主要性能參數進行了試驗檢測，其符合日?？照{使用的環(huán)境情況。最后本文還通過整合蓄電電路，解決了整個系統(tǒng)所產生電源的存儲和正常范圍內電壓驅動等問題。

[1]鄭藝華，馬永志.溫差發(fā)電技術及其在節(jié)能領域的研究究.節(jié)能技術，2006.02

[2]許志建，徐行.塞貝克效應與溫差發(fā)電[J].現(xiàn)代物理知識，2004.16