劉興云　楊火祥　付晶晶　劉夢(mèng)輝　翟儉超　魯池梅湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院　湖北黃石　435002

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基于塞貝克效應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換裝置的研究

劉興云楊火祥付晶晶劉夢(mèng)輝翟儉超魯池梅
湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院湖北黃石435002

【文章摘要】

自21世紀(jì)以來(lái)，能源危機(jī)越來(lái)越嚴(yán)重，進(jìn)而成為人類越來(lái)越關(guān)注和需要解決的首要問題。把人類生產(chǎn)生活中所廢棄的熱能很好的進(jìn)行利用，無(wú)疑可以在一定的程度上緩解日益嚴(yán)重的能源危機(jī)。熱電轉(zhuǎn)換裝置則是一種把人們生活中所浪費(fèi)的熱能收集起來(lái)，利用塞貝克效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能并將其電壓穩(wěn)定然后供給移動(dòng)設(shè)備或儲(chǔ)能設(shè)備。提高能源的利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的理念。

【關(guān)鍵詞】

熱電轉(zhuǎn)換；穩(wěn)壓電源；塞貝克效應(yīng)；節(jié)能

0　引言

自21世紀(jì)以來(lái)，能源問題越來(lái)越成為人類需要解決的首要問題。把人們生活生產(chǎn)中廢棄的熱能利用起來(lái)，無(wú)疑可以在一定程度上緩解能源危機(jī)。熱電轉(zhuǎn)換裝置正是把人們廢棄的余熱（空調(diào)、汽車等的熱能）進(jìn)行充分利用供設(shè)備使用，提高了能源的使用率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的理念。

1　系統(tǒng)方案

塞貝克效應(yīng)表明將半導(dǎo)體A（N型半導(dǎo)體）和B（P型半導(dǎo)體）的兩端相互緊密接觸組成環(huán)路，在兩連接處保持不同溫度T1與T2，則在環(huán)路中將由于溫度差而產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。熱電轉(zhuǎn)換片是利用賽貝克效應(yīng)做成的一種裝置，當(dāng)熱電轉(zhuǎn)換片兩端溫度不同時(shí)，就會(huì)在熱電轉(zhuǎn)換片兩端產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。若熱電轉(zhuǎn)換片的一端利用廢棄的余熱加熱，另一端是常溫，就會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。本系統(tǒng)正是利用這種溫差電動(dòng)勢(shì)提供電能達(dá)到熱能利用的目的。

圖1　系統(tǒng)框圖

圖2　塞貝克效應(yīng)原理圖

圖3　穩(wěn)壓電路圖

整個(gè)系統(tǒng)由熱電轉(zhuǎn)換部分、穩(wěn)壓模塊和儲(chǔ)能模塊三部分組成。熱電轉(zhuǎn)換部分由16片熱電轉(zhuǎn)換片串聯(lián)，在熱電轉(zhuǎn)換片一端接觸儲(chǔ)水箱，水箱內(nèi)部熱水提供熱端溫度（模擬熱端熱源），熱電轉(zhuǎn)換片另一端與空氣接觸作為冷端溫度室溫，并且在冷端使用散熱片，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，當(dāng)冷熱端產(chǎn)生溫差就會(huì)在回路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)進(jìn)而產(chǎn)生電流。產(chǎn)生的電流經(jīng)過穩(wěn)壓模塊將輸出電壓穩(wěn)定在5V?？梢怨┦謾C(jī)充電使用，或者供儲(chǔ)能設(shè)備將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。更好的將能源利用。

2　系統(tǒng)實(shí)施

2.1儲(chǔ)水箱實(shí)現(xiàn)溫差

用鋁合金制作長(zhǎng)方體儲(chǔ)水箱，將熱水倒入儲(chǔ)水箱便可模擬冰箱、空調(diào)等發(fā)生余熱的電器，水箱內(nèi)部溫度與外界溫度形成溫差，便可利用塞貝克效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電工作。

2.2熱電轉(zhuǎn)換片

熱電轉(zhuǎn)換片由很多溫差電偶組成，溫差電偶由許多N型半導(dǎo)體(一種摻雜后，會(huì)放出自由電子的半導(dǎo)體)和P型半導(dǎo)體（一種摻雜后，會(huì)放出空穴的半導(dǎo)體）顆粒互相排列而成，而NP之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，最后由兩片陶瓷片像夾心餅干一樣夾起來(lái)，陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好的一個(gè)熱傳遞的工具。

由于使用金屬作為材料一般賽貝克系數(shù)不會(huì)很理想，我們就使用半導(dǎo)體材料來(lái)作為冷端和熱端，以達(dá)到更高的電動(dòng)勢(shì)。將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體串聯(lián)起來(lái)，當(dāng)N型半導(dǎo)體放在熱端，P型半導(dǎo)體放在冷端時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電流，進(jìn)而產(chǎn)生電壓。

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)勢(shì)的大小和兩接點(diǎn)間的溫差有關(guān)，可表示為如下關(guān)系式（1）

Vab=a1(Tb-Tc)+(a2/2)(Tb-Tc)2+L（1）

根據(jù)公式，我們可以采用升高熱源溫度和降低冷端溫度的辦法來(lái)提高電動(dòng)勢(shì)。熱源我們采用水箱里的水，冷源我們使用散熱片來(lái)盡可能的使溫差電偶的冷端溫度達(dá)到室溫。

2.3穩(wěn)壓電路

如圖3，JP1兩端連接熱電轉(zhuǎn)換片，閉合開關(guān)S1后，JP1兩端電壓經(jīng)過7805轉(zhuǎn)換使電壓穩(wěn)定在5V，可以直接給其他設(shè)備供電。

2.4儲(chǔ)能裝置

儲(chǔ)能裝置的目的是將系統(tǒng)產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來(lái)，在本系統(tǒng)中儲(chǔ)能裝置使用的是鋰電池，系統(tǒng)給鋰電池充電，鋰電池充電之后可以直接供給其他設(shè)備用電，比如給手機(jī)充電等。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)測(cè)量，當(dāng)儲(chǔ)水箱內(nèi)部與外部溫差達(dá)到26℃時(shí)，便可輸出5V電壓，輸出的電壓經(jīng)過變換后可以供手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備使用，當(dāng)儲(chǔ)水箱內(nèi)外溫差達(dá)到60℃時(shí)，便可輸出12V電壓。

圖5　輸出電壓隨溫差成線性變化圖

4　結(jié)束語(yǔ)

溫差電偶不需要任何制冷劑，故無(wú)泄漏，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，可連續(xù)工作。本作品沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)。溫差電偶沒有滑動(dòng)部件是一種固體片件，因而工作時(shí)無(wú)震動(dòng)，無(wú)噪聲，無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)，安裝容易，可靠性高。溫差電偶尺寸小，重量輕，適合小容量、小尺寸的特殊的制冷環(huán)境。它把人們生活中無(wú)意浪費(fèi)的少量熱能進(jìn)行利用而獲得電能供設(shè)備使用。熱電轉(zhuǎn)換裝置僅由制冷片和簡(jiǎn)單的電路構(gòu)成，容易控制，調(diào)節(jié)方便，實(shí)用性強(qiáng)，壽命長(zhǎng)，可長(zhǎng)期使用，性價(jià)比高。

圖6　作品實(shí)物圖

【參考文獻(xiàn)】

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劉興云（1973-）（通訊作者），男，湖北安陸人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究工作。

【作者簡(jiǎn)介】

基金項(xiàng)目：湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（B20132506,XD2014237,D20132505 ,B20132504）。