[發明專利]一種溫差發電系統電動勢計算方法

有效

• 申請號: 201410189306.6
• 申請日: 2014-05-06
• 公開（公告）號: CN103973171A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: 李秋菊;劉楷安;廖旎煥;劉清欣
• 申請（專利權）人: 華北水利水電大學
• 主分類號: H02N11/00
• 分類號: H02N11/00
• 代理公司: 鄭州聯科專利事務所(普通合伙) 41104
• 代理人: 時立新;朱俊峰

技術領域

本發明涉及半導體溫差發電技術領域。尤其涉及一種溫差發電系統電動勢計算方法。

背景技術

1821年德國科學家Seebeck發現，在兩種不同的金屬構成的閉合回路中，當兩個接頭存在溫差時，回路將產生電流，這個現象被稱為塞貝克效應。溫差發電就是利用塞貝克效應，通過在熱電材料兩端維持一定的溫差，從而產生一定的電壓和電功率輸出。通過研究發現，半導體材料的熱電優值較大，目前人們在溫差系統中應用的熱電材料都是半導體材料，所以又稱為半導體溫差發電。

長久以來，由于受到轉換效率和成本的制約，溫差發電技術除了在航天和軍事等尖端技術領域應用外，很少用于工業和民用產業。但是，隨著人們對能源危機的認識，溫差發電技術可以利用自然界中存在的大量的溫差以及工業余熱，具有良好的綜合社會經濟效益。同時，隨著人們對空間探索興趣，醫用物理學的進展，和大規模無線傳感器的應用，需要開發一類能夠自身供給能量并無需照看的電源系統，顯然，溫差發電對這些應用極為合適。溫差發電作為一種全固態能量轉換方式，具有無介質泄露，無噪聲，性能可靠，維護少等優點的綠色環保能源，在微型能源、低品位能源、廢能源利用方面的應用價值越來越明顯。因而，盡快實現溫差發電技術及其應用的產業化具有重要的現實意義。在溫差發電系統作為電源系統設計和應用過程中，一個很重要的問題就是：如何確定實際溫差發電系統提供的電動勢U_S＝mα(T₁-T₂)的數值。其中，m為溫差發電系統中串聯的半導體片數，α＝α_P-α_N，α_P，α_N分別為P型和N型半導體元件的賽貝克系數，由溫差發電材料自身的特性決定，T₁和T₂分別是溫差發電器件熱端和冷端溫度。可見，如何得到溫差發電器件熱冷端實際溫度差ΔT＝T₁-T₂，是確定溫差發電系統提供的電動勢的關鍵問題。

圖1為溫差發電系統工作的基本原理示意圖，實際溫差發電系統為得到較高的電動勢，可由多片P、N兩種類型的半導體元件串聯組成，P、N兩種類型的半導體經電導率較高的導流片及負載電路串聯而成。根據熱力學定律，溫差發電系統的熱電材料的特點，和電路定律，可導出由m片半導體元件串聯構成的溫差發電系統數學模型。目前，主要采用的數學模型是由式(1-1)～(1-6)組成的方程組1所示：

Q_H＝K_H(T_H-T₁) (1-1)

Q_L＝K_L(T₂-T_L) (1-2)

Q_H＝m*αIT₁-0.5I²R_i+K_i(T₁-T₂)(1-3)

Q_L＝m*αIT₂+0.5I²R_i+K_i(T₁-T₂)(1-4)

U_S＝mα(T₁-T₂)(1-5)

I＝U_S/(R_i+R_L) (1-6)