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半導體溫差發電組件的應用

2017-05-17  來自: 安陽市陽光科教能源有限公司 瀏覽次數:1023

      在此,我們介紹一種新型的半導體溫差發電模塊,對其性能進行研究,并在此基礎上構建了一套小型發電系統,可利用煤灶、篝火等進行發電。并將發的電儲在蓄電池中,從而用以照明等。

      半導體溫度發電模塊,是一種利用溫差直接將熱能轉化為電能的全固態能量轉化發電裝置,它無需化學反應且無機械移動部分,因而具有無噪音,無污染,無磨損,重量輕,使用壽命長等種種優點。被廣泛地用于工業余熱,廢熱的回收利用,航天輔助電力系統等。隨著能源的短缺及人們不斷提高的環境保護意識,特別是全球氣候變暖問題,半導體溫差發電技術以其各種優點越來越引起人們的關注。

      半導體溫差發電模塊是根據塞貝克效應制成的,即把兩種半導體的接合端置于高溫,處于低溫環境的另一端就可得到電動勢E:E=As$T=As(T2-T1)。式中:As為塞貝克系數,其單位為V K或LV K.塞貝克系數AS是由材料本身的電子能帶結構決定的。

      我們采用的半導體溫差發電模塊外形尺寸為40mm×40mm×4mm,共有127對PN結,具有一定的耐高溫特性(熱端穩定工作溫度可達180℃,最高短時沖擊溫度220℃),熱電轉化效率為11.7%。

      我國是世界的產煤大國兼農業大國,在廣大的農村地區,人們利用煤灶或煤爐燒煤煮飯,取暖等。在北方農村,煤爐通常是24小時持續燃燒。我們利用上述溫差發電模塊研制發電系統,以便利用煤灶,爐的熱能產生電能給手機、蓄電池充電或直接帶動節能燈,低功耗電視等其它負載。這一發電系統也適用于野外探險時的篝火,從而解決無市電環境下的用電問題。

      基于溫差發電模塊組的盛水器裝置,我們設計的裝置是,用底部平整的盛水器,在其底部涂上導熱硅脂與溫差模塊的冷端保持良好的熱接觸(開水的溫度為100℃,所以冷端的溫度可維持在120℃~130℃)。模塊熱端向下緊貼在鋁片上(也使用導熱硅脂)。盛水器與鋁片用銷釘鎖緊以保持溫差模塊兩面與熱,冷源的緊密接觸。鋁片另外有兩個支柱用來調節與煤爐或其它熱源之間的距離,當熱源溫度較高時可調大鋁片與熱源之間的空隙,從而使熱端溫度不高于200℃。

      我們采用電爐作為熱源,控制熱端溫度在180-200℃之間,開水沸騰后,測得模塊的冷端溫度在120~130℃之間,因而STM兩端溫差最低可維持50~60℃。

      通過實驗,我們可以看出,半導體溫差發電模塊作為電源,其串并聯的情況與其它電源的串并聯并無本質區別。

新疆一科研所曾利用發電組件,制作了家用爐灶(爐子燒的是山上的柴草)發電裝置。通過散熱片把發電組件固定在爐子壁上,冷面散熱采用空心的鋁板,讓山上的冰水從其中流過,散熱效果很好。能夠較好地保持發電組件兩面的溫差。發電效果不錯。

     日本東芝公司開發溫差發電設備

     日本東芝公司最近公布,該公司已開發出一種利用溫差發電的設備。這種設備可將排放到大氣中的汽車尾氣、工廠排出的熱氣等進行再利用。東芝計劃從2005年起批量生產這種設備。

  據本地媒體報道,這種設備的形狀為邊長為4厘米的板狀正方形。其工作方式是其中一個面受熱,另一面采用汽車運動中的風來冷卻,使發電組件兩面間存在溫差,通過內置的半導體進行發電。目前市場上銷售的其它公司生產的同類產品的耐熱性僅為200度,東芝的這種新產品則能承受汽車引擎排出的300度以上的熱氣,并由此轉化為可供車內使用的電力,實現廢氣再利用。

使用普通燃料或利用余熱熱源來發電:

      使用普通化石燃料作熱源以形成溫差發電器的實用系統,首推美國專為野外使用而生產的軍用電源。它們以各類軍隊常用的燃油燃燒產生的熱量為熱源轉換為供給戰場,尤其是前沿陣地各種電器設備的電能。由于在這些環境中低噪聲、能快速啟動、能長期連續工作、易攜帶、維護方便、后勤保障便利等,是使用方首要的考慮,在這些方面,溫差電轉換發電器大大優于常用的內燃式驅動發電機和化學蓄電池。1988年美國生產了一種外型41.2cmX42.2cmX27.3cm的燃燒式溫差發電器。該設備的發電元件由120對熱電偶組成,可使用多種軍用燃油,一次裝載后能連續工作12小時,產生13.1V直流電壓,向負載提供120W的電功率。

       隨著環保意識的加強,以及對傳統能源未來中間匱缺的擔心,充分利用余熱發電的技術手段日益受到關注。2003年黎巴嫩大學的學者將溫差電發電器的熱端與該國的一種做飯用的火爐外壁連接,冷端置于空氣中,利用爐壁的高溫與環境的溫差來發電。其實驗中所使用的溫差電元件即產自中國,因為中國的元件性價比最高,該設備實驗中單片元件可產生4W的電功率。中國目前已成為世界上最大的溫差電元件生產出口國,這為我國未來溫差電的廣泛應用打下了堅實的基礎。

       我們只是拋磚引玉,為大家進一步開發出更多更好的溫差發電器,提供參考。

注意:

#發電組件的兩面達到溫差60度時,電壓3.5伏,電流3安。若溫差在0—60度之間,電壓在0—3.5V之間變化,電流在0—3A之間變化。

#安裝時發電組件兩面都要加上金屬散熱片,能保證組件的熱面均勻受熱,冷面要有很好的散熱條件,如:風冷、水冷等方式。

#使用時,熱面溫度不能超過200度。


關鍵詞: 半導體溫差發電組件的應用           

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