作者：张鹏；曾狄根；黄学章（中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙，410083）

【摘要】为研究半导体温差发电在工业余热利用中的可行性，设计了半导体温差发电测试实验装置，利用该实验装置测试了半导体温差发电器的输出特性、分析出了影响其输出特性的因素、计算了温差发电成本。实验结果表明，半导体温差发电用于工业余热利用是可行的，其发电1.89年其发电成本就相当于目前工业用电成本。

【关键词】温差发电；输出特性；余热利用

【中图分类号】 TM911 【文献标识码】A

1 引言

随着世界经济快速发展，人类对能源的需求量迅速增加。有资料显示：已探明常规能源石油、天然气和煤炭的保证年限分别是45年、52年和209年^[1]。因而，人们迫切需要寻找新型绿色的能源取代传统化石燃料。我国能源的利用率很低，只有33%左右，单位产值能耗比美国、欧盟、日本、印度分别高2.5倍、4.9倍、8.7倍和0.43倍^[2]。这就更要求我们积极寻找节能新办法。

半导体热电发电利用半导体热电材料制成，以其体积小、重量轻、无运动部件、寿命长、移动方便、可靠性高以及无污染等诸多优点，在军事、医疗、科研、通讯、航海、动力及工业生产的各个实践领域得到了广泛应用^[3]。而半导体热电发电技术在工业余热利用方面的应用尚不成熟，大规模应用仍需要进一步研究。

目前，国内相关研究多集中在温差材料方面^[4]，少见对温差发电应用的研究，本实验另辟蹊径，对其在工业余热利用中的可行性进行了一定的探讨。

2 理论分析

温差发电器是一种基于塞贝克效应，直接将热能转化为电能的热电转换器件。1982年，德国物理学家塞贝克发现了温差电流现象，即两种不同金属构成的回路中，若两种金属结点温度不同，该回路中就会产生一个温差电动势。这就是塞贝克效应^[5]。

半导体温差发电片的原理如图1，它由P、N 两种类型不同的半导体温差电材料经电导率较高的导流片串联并将导流片固定于陶瓷片上而成。在器件的两端建立一个温差, 使器件高温端保持T_h，低温端保持T_c，根据塞贝克效应，将产生一个电压，若在回路中接入负载电阻，则将有电流流过。

塞贝克效应电势差大小可用表示为^[6]：

塞贝克效应电势差

（1）

式中，S_h与S_c分别为两种材料的塞贝克系数。

如果S_h与S_c不随温度的变化而变化，式（1）即可表示为：

简化塞贝克效应电势差

（2）

温差发电原理图

图1 温差发电原理图

Fig. 1 Principle of thermoelectricity generation

为方便输出功率的计算，可以对实验对象做以下假设：①稳态，输出电流为稳恒电流；②半导体温差发电片侧面绝热；③冷热端之间的空气对流和辐射影响可以忽略；④半导体温差发电片内部导热系数不变。解得输出功率为：

半导体温差发电输出功率

（3）

式中，R为器件的总电阻；τ为汤姆逊系数；等号右端第1项为帕尔帖热，第2 项为汤姆逊热，第3项为焦耳热^[7]。

功率匹配条件为：R_L = R，得最大输出功率：

温差发电最大输出功率

（4）

3 实验研究

3.1改变温差条件下发电模块特性

利用图2所示的温差发电片性能测试装置进行实验，实验采用TEC1-12706作温差发电片，其输出功率情况如表1和图3所示。

温差发电性能测试装置图

图 2温差发电性能测试装置图

Fig. 2 Experiment platform

表1 温差发电性能测试实验中的输出功率情况

图3 变热端温度输出功率曲线图

Fig. 3 Relation between output power P and temperature differenceΔt

通过图3可以看出，输出功率随温差的增加而增加，当温差达到最大时输出功率也将达到最大值。而温差越大，输出功率随温差增加而增加的趋势也会变得更加明显，可以从曲线中看出在温差较大时曲线斜率比温差较小时的曲线斜率大。

因而，在利用温差发电时适当的提高冷热端的温差有利于提高输出功率。www.zhangpeng.info

3.2变负载条件下发电模块特性

变负载条件下实验中得到输出功率情况如表2和图4所示。

表2变负载条件下输出功率情况

图4 变负载条件下输出功率曲线图

Fig. 4 　Relation between output power P and resistance R

通过图4可以看出，在相同的冷热端温差条件下，负载逐渐增加，输出功率先增加后减小。这是由于输出功率与输出电压及电流均有关系，只有在负载达到匹配条件即负载等于温差发电片内阻的时候，输出功率才能达到最大值，可由式（5）表示：

输出功率

（5）

式中，R_L为负载电阻，r为温差发电片内阻，U为热电势。

通过式（3）可知，U在温差不变的条件下也是一个定值，故当最小时，输出功率将达到最大值。根据不等式，当R_L = R时，输出功率会达到最大值，且最大值为：

匹配最大输出功率

（6）

因此想要获得最大输出功率，需要选择最佳负载。由图可以看出，当负载在4 Ω附近时对应的输出功率达到最大值。

]]> http://www.zhangpeng.info/2010/analysis-for-the-feasibility-of-semiconductor-thermoelectric-generator-used-in-industrial-surplus-heat-recovery/feed/ 14 http://www.zhangpeng.info/2009/gloabal-climate/ http://www.zhangpeng.info/2009/gloabal-climate/#comments Mon, 07 Dec 2009 04:29:29 +0000 张鹏 http://www.zhangpeng.info/?p=219 能源消耗巨大，全球环境问题日益严重的今天，各国都无可避免的开始重视起保护环境的课题，近期，全球190个国家即将在哥本哈根开会，争取达成一项联合国抑制全球变暖新协议。

作为全球温室气体最大排放国，中国也是“非常关切”气候变化，而此次峰会“已有超过85名国家和政府领导人告诉我们要来哥本哈根”。重视程度可见一斑。

然而我们侧面来看看哥本哈根国际气候变化峰会，能否真正的达到其既定的目标还是一个很大的未知数。

欧盟委员会一名官员周四表示，欧洲气候谈判代表正在敦促中国提高减排目标。中国已宣布，将在未来十年使“碳密度”(单位GDP二氧化碳排放量)较2005年下降最多45%。

而处在相反的一面www.zhangpeng.info

中国气候变化谈判代表解振华周四表示,中国的碳排放强度目标是朝着让排放量触顶下滑的一步,并称发达国家所设立的目标太过宽松,无法解决全球暖化问题。

在国际气候变化峰会这一场政治博弈中，将上演激烈的竞争。面对全球气候 变化，各国都希望能够做些什么为子孙后代创造更好的环境，然而无可避免的，大规模的缩减温室气体的排放导致的结果是大量资金和人力的投入。在利益的纠葛之下，各国都希望对方能够做出更多。各国互相指责，无非是希望借对方的弱点，能够在这场博弈中获取更大的利益明哲保身。

在这场游戏中，大家都无法信任对方，各自怀疑对方是否能够达成自己的承诺，而在这样的环境之下，要达成既定目标，应该说是困难重重的。在这样一场游戏中，相信谁都无法成为真正的赢家，而也不会有真正的输家，几百年以后，但我们的子孙后代从中得益之时，或许会感谢所有参与到这一伟大目标的前辈们。

先上图：

太阳能办公楼外景

全球最大太阳能办公楼内景

想看更多图的可以移步：http://news.163.com/photonew/00AN0001/7243.html

山东德州建设的这座名为“日月坛·微排大厦”的太阳能大厦，采用全球首创的太阳能热水供应、采暖、制冷、光伏发电等与建筑结合技术，是目前世界上最大的集太阳能光热、光伏、建筑节能于一体的高层公共建筑，是2010年第四届世界太阳城大会的主会场。整栋太阳能建筑屋面、外墙都采用了远远高于国家现行标准厚度的聚苯保温板，极大的降低了传热系数，也就是说这栋建筑的散热或者升温速度明显降低，而门窗、天窗和幕墙，采用了温屏节能玻璃和BIPV温屏光伏组件，传热系数降低为国家节能标准的一半，能够有效节省建筑耗能。www.zhangpeng.info

整个建筑最大的亮点是采用了太阳能电池来进行供热与发电，大斜坡的屋顶安装太阳能吸收装置，坡度的设计能够充分的吸收到更多的太阳能，提高太阳能利用效率，虽然其耗资巨大，且经济效益有待考究，然而其巨大的示范作用和象征作用，也能够鼓舞太阳能利用事业的发展，在能源危机的背景下显得极为可贵。

提起新能源开发，首先想到的是太阳能发电、核电、风电，或许也有听说过张鹏在之前提到过的温差发电可以回收工业余热，然而你或许没有听说过利用渗透能发电的。

渗透能发电就是利用渗透原理，将淡水与海水接触时产生的渗透能转换为电能，本人也第一次听说，然而挪威人已经建立了一个电厂。

新华网北京11月25日电 挪威第一座渗透能电站２４日正式投产，新电厂初期投资为１．５亿挪威克朗（约合２６８０万美元），然而花费如此巨资造就的“电厂”竟然只能为一台咖啡机供电。这就是新能源的代价啊。

而类似的，新能源的另一个发展方向，中国风电的成本都是由国家补贴，国家1.5元每度购买风电厂的电，而又以电网的售电价出售，每度电亏损达到将近1元钱，而风电厂还不能并网发电，由于风能在各个时期的产能不一样，导致并网时会对电网稳定造成极大影响。同样的原因也制约着其他新能源的开发。www.zhangpeng.info

目前太阳能的利用也存在同样的瓶颈，太阳能发电材料成本高，而发电转化率低，导致其成本极高，目前太阳能的利用也只局限太阳能热水器还有点市场。

目前最具发展空间的就是核能利用了，目前国家积极投产核电项目，关停小型电厂，大有发展核电的决心。而核能利用最大的缺陷就是核废料的处理和核辐射，目前国际上仍然没有提出任何有效处理核废料的方案，美国现今将核废料封存在全国25个临时存放中心以及核电厂的硼水池中。国际通行的方案都是在积极寻找一个地址稳定100万年以上的地层掩埋，然而地下水的渗透也是科学家担心的问题。

种种新能源的开发，都无不面临技术或者资金方面的问题，而其存在的前景确实科学界孜孜不倦的目标。

温差发电基于塞贝克效应，至于塞贝克效应原理可以参考之前的文章：塞贝克效应，利用塞贝克效应制成半导体温差发电片或者说热电片，然后在两面给予一定的温差即可以产生电能。

来张全家福:

整个实验装置用到了制冷设备、加热装置、测温和显示仪表、测试电路。

看到左上那个小红圈?万用表,RMB3000. 大红圈表示的是安捷伦(Agilent)的一个多通道数显仪表，用来采集温差发电的相关数据，如冷热端的温度、输出电压,6万.还好都是学院买的。整体实验平台的造价还包括大概有8支热电偶价格1000左右，制冷机4000，所以说做个实验价格还是不菲的。www.zhangpeng.info

再看小小温差发电器：

不同的温差发电片，TEP为热电片、TEC为制冷片。两者其实没有本质区别，都是半导体制品，利用的是塞贝克效应的正反作用，由于制作的目的用途不同，其外在特性会有一定的区别，热电片用于温差发电的时候在高温下输出比较稳定，制冷片主要用于手提冰箱和其他小型的精密制冷。