January 23, 2010

半导体温差发电在工业余热利用中的可行性分析

3.3改变冷端温度条件下发电模块特性

改变冷端温度条件下实验中得到输出功率情况如表3和图5所示。

表3 变负载条件下输出功率情况

热端/℃	冷端/℃
	10	20	30	40
30	0.078192
40	0.178462	0.089086
50	0.32891	0.18813	0.064986	0.023112
60	0.500059	0.326759	0.157332	0.081107
70	0.738641	0.508002	0.298401	0.186028
80	1.007529	0.724403	0.493534	0.308973
90	1.32805	0.993603	0.7091	0.476235
100	1.64804	1.312761	0.97671	0.692804
110	2.102329	1.624719	1.247846	0.958769
120	2.517268	1.954394	1.599027	1.22758
130	2.992686	2.32714	1.947085	1.550767
140	3.417593	2.726115	2.297209	1.984817

注：本组实验数据使用匹配电阻4.21 Ω，以求达到最大输出功率。

图5 变冷端温度输出功率曲线图

Fig. 5 Relation between output power P and lower temperature t

由图5中可以看出，在热端温度相同时，冷端温度的升高将导致输出功率的减小。而在温差相同的情况下，冷端温度越低，其输出功率也会越高。这主要是由于冷端温度升高将导致温差发电片平均温度升高进而导致内阻增大，输出功率减小。

在实际使用的过程中，可以尽量降低冷端温度，以求获得更好的输出效率。

4 成本分析

冷端温度稳定在30℃，实验可知其最大输出功率2.297209W，工业用电按大宗工业用电每度0.553元计算^[8]，参考TEC1-12706的市场价目前在15到30元每片之间，考虑到大宗购买，选其价格20元/片^[9]，计算可得如表4和图6所示的成本数据。

表4 温差发电成本数据（以1度电为例）

年限/年	1	2	3	4	5
成本/元	0.994	0.497	0.276	0.248	0.199

图6 半导体温差发电成本曲线图

Fig. 6 　Relation of cost-per-killowatthour and operating period

通过绘制成本曲线，内插法计算可得：发电1.89年其发电成本就相当于目前工业用电，而随着技术的进步，半导体温差发电片的成本越来越低，效率却越来越高。因此可以说，半导体温差发电在利用低品位工业余热方面，推广应用的时机已经成熟。

5 结论

本实验对半导体温差发电的发电特性做了一系列的研究，实验结果表明：

（1）输出功率随温差增大而增大，温差越大，这种趋势越明显，温差达到最大输出功率也将达到最大值。

（2）负载逐渐增加，输出功率先增加后减小，当达到匹配条件即负载电阻等于内电阻的时候，输出功率达到最大值。

（3）在相同的热端温度条件下，冷端温度的升高将导致输出功率的减小，并且，在温差相同的情况下，冷端温度越低，其输出功率越大。

（4）在不考虑配套设施的情况下，温差发电1.76年的成本就相当于目前工业用电，而工业余热利用产生的环境效益更是不可估量。随着技术的进步，半导体温差发电的成本降进一步降低，将完全具备与当前工业用电竞争的优势。

为进一步加强半导体温差发电的竞争优势，可以采用增加温差、降低冷端温度、匹配负载的方法，另外，加强新材料的研发以提高热电转换效率也是最根本、最具前景的一个创新方向。相信不久，利用半导体温差发电片回收低品位的工业余热将成为极具竞争优势的一种余热利用方法。

Analysis for the Feasibility of Semiconductor Thermoelectric Generator Used in Industrial Surplus Heat Recovery

Zhang Peng Zeng Digen Huang Xuezhang

（School of Energy Science and Engineering, Central south University , Changsha 410083, China)

【Abstract】A testing platform was constructed to study the feasibility of Semiconductor Thermoelectric Generator module used in industrial surplus heat recovery. The output performance of this module was tested. Factors influence its behavior is summarized. The electricity cost was calculated. Results show that based on the current price of generator the electricity cost generated by thermoelectric generator will be equivalent to the industrial electricity’s price 1.89 years later.

【Keywords】thermoelectric; output performance; surplus heat recovery

参考文献

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[9] 于俊鹏,张建中,康洪波. 商用温差电制冷组件用于发电的研究[J]. 电源技术, 2003.11:532-535

基金资助：国家大学生创新基金资助项目(081053386号)

作者简介：张鹏，男，1988年4月，汉，中南大学热能与动力本科，主持国家大学生创新基金资助项目。

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