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1、第26卷第8期增刊仪 器 仪 表 学 报2005年8月一种半导体温差发电系统陈允成 吕迎阳 林玉兰 陈 忠(厦门大学物理系 厦门 361005)摘要 介绍了一种新型的半导体温差发电模块,对其性能进行了一些研究,并在此基础上构建了一套小型发电系统,可利用煤灶、篝火等发电、储电从而用以照明等。其中考察了发电模块的不同串并组合矩阵的输出功率,设计了为蓄电池充电的稳压充电电路,并使设计的模块矩阵与蓄电池稳压充电电路匹配,使其输出功率达到最大。关键词 半导体温差发电模块 稳压电路 蓄电池 充电电路ANovelSemiconductorThermoelectricGeneratorChenYunchen
2、gLvYingyangLinYulanChenZhong(DepartmentofPhysics,XiamenUniversity,Xiamen361005,China)AbstractAnovelSTM(semiconductorthermoelectricmodule)isintroduced,anditsperformancesaredis2cussed.ThenageneratorsystemisdesignedbasedonthisSTM,whichcanutilizecoalstoveorneedfiretogen2erateelectricity.Thematrixwhichi
3、sformedbyseveralpiecesofSTMisinvestigated.Atlast,aregulatorcir2cuitforcharginga12Vstoragebatteryisdesigned,whichcanmatchtheSTMmatrix.KeywordsSemiconductorthermoelectricmoduleRegulatorcircuitStoragebatteryChargedcircuit耐高温特性(热端稳定工作温度可达250℃,最高短时1 引 言冲击温度380℃),热电转化效率为417%。我们测得其开路电压与温差之间的关系见图1。半导体温度发电
4、器模块(SemiconductorThermo2由图1可看到温差变化改变1℃,相应的产生0103VelectricModule)是一种利用温差直接将热能转化为电的开路电压。能的全固态能量转化发电装置,它无需化学反应且无机械移动部分,因而具有无噪音、无污染、无磨损、重量轻、使用寿命长等种种优点,被广泛地用于工业余热、废热的回收利用、航天辅助电力系统等。随着能源的短缺及人们不断提高的环境保护意识,特别是全球气候变暖问题,半导体温差发电技术以其各种优点越来越引起人们的关注。[1]半导体温差发电模块是根据塞贝克效应制成的,即把两种半导体的接合端置于高温,处于低温环境的另一端就可得到电动势E:图1 开
5、路电压U与温差$T之间的关系E=As$T=As(T2-T1)(1)式中:As为塞贝克系数,其单位为VöK或LVöK。塞贝2 基于STM的发电系统克系数AS是由材料本身的电子能带结构决定的。我们采用的半导体温差发电模块外形尺寸为我国是世界的产煤大国兼农业大国,在广大的农35mm×35mm×5mm,共有126对PN结,具有一定的 第8期增刊一种半导体温差发电系统199村地区,人们利用煤灶或煤炉烧煤煮饭、取暖等。在北 我们利用此装置测量了STM几种串并矩阵的参方农村,煤炉通常是24小时持续燃烧。数,见表1。测量时模块两端温差约为110℃。(负载端我们利用上述温差发电模块研制发电系统,以便电压采用
6、内接法)利用煤灶、炉的热能产生电能给蓄电池充电或直接带由表1我们可以看出,半导体温差发电模块作为[3]动节能灯、低功耗电视等其它负载。这一发电系统也电源,其串并联的情况与其它电源的串并联并无本质适用于野外探险时的篝火,从而解决无市电环境下的区别。用电问题。3 设计STM串并矩阵与稳压充电电路实现给蓄电池充电[4] 对于一个直流电源,为使电源能输出功率最大,要求负载阻抗与电源等效内阻匹配,如果电源与负载不匹配,电源利用率就降低。因此为提高STM的效率,外接负载也要尽量与STM组成的矩阵的等效内阻匹配。据此,利用上面的装置,我们设计了给12Vö7AH图2 基于温差发电模块组的盛水器装置示意图的
7、蓄电池充电的STM串并矩阵及与其匹配的稳压电图2是我们设计的装置示意图。用底部平整的盛路和二阶段恒流限压式充电保护电路。整个设计框图水器,在其底部涂上导热硅脂与温差模块的冷端保持见图3。良好的热接触(开水的温度为100℃,所以冷端的温度可维持在120℃～130℃),模块热端向下紧贴在铝片上(也使用导热硅脂)。盛水器与铝片用销钉锁紧以保持温差模块两面与热、冷源的紧密接触。铝片另外有两个支柱用来调节与煤炉或其它热
