学生： 指导老师：
（厦门理工学院机械工程系，厦门 361024）
【摘 要】：随着工业化的高速发展,全球性的环境恶化和能源危机正威胁着人类的长期稳定发展,
各国政府对绿色环保技术的研究与利用给予了前所未有的关注和支持。半导体温差发电是一种全固态能量转换方式,无需化学反应或流体介质,因而在发电过程中具有无噪音、无磨损、无介质泄露、体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长等优点,因此备受关注。本文调研了目前半导体温差发电器件的发展现状以及其性能应用，分析了其未来走势，以及提出了一些设想。
【关键词】：半导体 温差发电 现状 设想
1 前言
温差发电又叫热电发电，是一种绿色环保的发电方式。温差发电技术具有结构简单，坚固耐用，无运动部件，无噪声，使用寿命长等优点。可以合理利用太阳能、地热能、工业余热废热用寿命长等优点。可以合理利用太阳能、地热能、工业余热废热等低品位能源转化成电能。温差发电技术的研究最早开始于20世纪40年代[1]。由于其显著的优点，温差发电在航空、军事等领域得到了广泛的应用，美国，前苏联先后研发了数千个放射性同位素或核反应堆温差发电器用作空间、海洋装置的电源。随着化石能源的日趋枯竭，美国、日本、欧盟等发达国家更加重视温差发电技术在民用领域的研究，并取得了长足的进展。国内温差发电方面的研究，主要集中在发电器理论和热电材料制备方面的研究，旨在为温差发电器的优化提供理论指导和制备性能优良的热电材料，虽然我国是世界上最大的半导体究还很欠缺，因此研究温差发电有着非常现实的意义。
本调研报告的研究内容就是针对市场的一些温差发电有关公司的产品价格等相关事项进行了调研。
2 半导体温差发电器件的工作原理及应用
温差发电是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种发电技术，将P型和N型两种不同类型的热电材料（P型是富空穴材料，N型是富电子材料）一端相连形成一个PN结如图1，置于高温状态，另一端形成低温，则由于热激发作用，P（N）型材料高温端空穴（电子）浓度高于低温端，因此在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就开始向低温
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端扩散，从而形成电动势，这样热电材料就通过高低温端间的温差完成了将高温端输入的热能直接转化成电能的过程。单独的一个PN结，可形成的电动势很小，而如果将很多这样的PN结串联起来，就可以得到足够高的电压，成为一个温差发电器。
图1 温差发电原理示意图
塞贝克效应：
1821年塞贝克发现在锑与铜两种材料组成的回路中,当两个接触点处于不同温度时候,在回路中就有电流通过。人们把产生这种电流的电动势叫做热电动势,也叫做塞贝克电动势或温差电动势。要形成温差电动势必须有两种不同的金属材料,并在两端的连接处有不同的温度,如下图所示。Eab是塞贝克电动势,Sab塞贝克系数。因此塞贝克系数不是由一种材料,而是由一对材料形成的。由于所选的材料不同,电位的变化可以是正或负。因此,塞贝克系数不只是大小,而且符号也很重要。
若两种材料是十分均匀的,那么这种电动势的大小就仅与两个接点的温度有关。产生热电动势的原因主要是由于:(1)两种金属的逸出功不同;(2)两种金属的电子密度不同。从而发生电子从一种金属穿过界面向另一种金属迁移,在接点处形成了接触电势,它与温度有关,在两接点温度不相同时,其接触电动势的代数和不等于零,所产生的接触电势差就是热电动势。在两接点温度差不大时热电动势与温度差成正比。
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图2塞贝克效应原理示意图
珀尔帖效应：
珀尔帖效应是1834年由法国科学家JeanC. APeltier发现的,即直流电流流过两种不同金属的接点时,在接点处会出现放热或吸热的现象。实验证明:两种不同金属间产生珀尔帖效应是很微弱的,唯有某些半导体材料PN结的珀尔帖效应较为显著。实用的半导体制温差电材料有碲化铅、硅化铁、锑化锌、碲化铋等。目前以碲化铋应用为主,其三元固溶体合金成分为: P型吠吠吠Bi2Te3+SbTe2 和N型吠吠吠Bi2Te3+Bi2Se3
吠焦耳效应(Joule Effect)
单位时间内由稳定电流产生的热量等于导体电阻和电流平方的乘积。
吠傅里叶效应(Fourier Effect)：
单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比。由于这些因素,半导体热电效率在很大程度上受到了限制,尽管如此半导体温差电技术还是在各领域中的应用却越来越广泛,越来越显示出它的特殊优越性。利用半导体材料的帕尔帖效应,选用热电效应较高的热电偶构成温差电器件。
图3 （吠傅里叶效应原理实验图）
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当直流电通过由两种不同的半导体材料串联成的热电偶时,在热电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量,如果在放热端安装散热装置,吸热端就能通过吸收热量使吸热端的温度低于放热端的温度,当改变直流电流方向时,吸热面与放热面交换又能达到制热的效果。但仅有一对热电偶所产生的制冷量是远远不够的,因此为加大功率,采用热电偶串联,吸热端、放热端各自并联。
利用上述原理设计的温差电器件可以用作为冷热源制成具有冷藏、热藏、降温、恒温、升温等功能的装置,并能用于各种热工测量。
3 半导体温差发电器件的市场现状
（1）常山县万谷电子科技有限公司
温差发电是一种合理利用余热、太阳能、地热等低品位能源转换成为电能的有效方式。温差发电具有结构简单，坚固耐用，无运动部件，无噪音等特点。目前在国外已广泛研究。使用普通化石燃料作热源以形成温差发电器的实用系统首推美国专为野外使用而发展的军用电源。它们以各类军队常用的燃油燃烧产生的热量为热源转换为供给战场、尤其是前沿阵地各种电器设备的电能。由于在这些环境中低噪声、能快速启动、能长期连续工作、易携带、维护方便、后勤保障便利等是使用方首要的考虑，在这些方面，温差电转换发电器大大优于常用的内燃式驱动发电机和化学蓄电池。1988年美国生产了一种外形41.2cmX42.2cmX27.3cm的燃烧式温差发电器,该设备的发电元件由120对热电偶组成,可使用多种军用燃油,一次装载后连续工作12小时,产生13.1V直流电压,向负载提供120W的电功率。
随着环保意识的加强以及对传统能源未来匮缺的担心，充分利用余热发电的技术手段日益受到关注。2003年黎巴嫩大学的学者将温差电发电器的热端与该国的一种做饭用的火炉外壁连接，冷端置于空气中，利用炉壁的高温与环境的温差来发电。其实验中所使用的温差电元件即产自中国，因为中国的元件性价比最高，该设备实验中单片元件可产生4W的电功率。中国目前已成为世界上最大的温差电元件生产出口国，这为我国未来温差电的广泛应用打下了坚实的基础。2.2太阳能和地热能热源太阳能和地热能是新能源体系的主要组成部分，它们无污染，而且可以认为是无匮缺的长期资源。太阳能利用最为方便的形式是集热，通过集热后产生的温差即可用于发电。2004年泰国学者通过利用置于屋顶的铜板吸收太阳能集热升温与环境之间的温差发电带动轴流风机引导屋顶
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空气自然对流从而达到给屋顶降温的效果。
放射性同位素热源对于需要长时间不间断供电而且无须人工维护的应用，温差电转换发电是一种较为理想的选择。所剩下的主要问题就是要寻找一个同样是体积小、寿命长的相应热源。由同位素放射产生热量的方式因其能量密度高、工作寿命长、可靠性高等优点被视为理想热源。医学应用：放射性同位素热源的温差发电器用于向人体植入的器官或辅助器具供电，使之能长期正常工作，如人造心脏或心脏起博器。这类产品可耐受1600K以上的高温，其辐射水平比夜光表还低，依据放射源的半衰期其使用期限可达87年。海洋和地面应用：随着人类在边远地区、海洋的活动不断增加，对能长期工作而不用太多维修的能源系统的需求日增。美国海军是海洋用放射性同位素温差发电器的最大用户。他们使用的典型发电器为Gulf Millibats，设计的工作深度达10KM，温差电偶材料为碲化铋，热源为同位素锶-90，可以提供电压为1.5到1.8V，功率不小于1W，寿命长达10年，通过直流-直流转化器获得24V的输出电压。1961年12月在Chesapeake Curtis海湾为核动力系统设置的第一台SNAP系统，在阿拉斯加的Umeat无人气象站。该站电能由一个至少6年无需维护的温差发电器提供。空间应用：卫星用原子核辅助能源系统（SNAP）的发展始于1955年。1961年6月，美国海军装有SNAP3A这种能源系统的卫星TRANSIT4A发射成功，能源系统运转正常，标志着放射性同位素能源系统首次被用于太空。随着人们对温差发电器的太空应用的深入，在1977年发射的木星、土星探测器旅行者1和2号上的温差发电器的功率已从最初的2W到3W上升到了155W。美国仙童空间电子公司已提出了一种放射性同位素温差发电器的新设计。它采用通用热源模块、SiGe-GaP温差热电偶及温差电器件组件化的模式，一个18单元280W的系统正常工作时效率可达到9.41%。
随着人类空间探索活动的日渐展开,医用物理学的进展以及在地球难于到达地区日益增加的资源考察与探查活动,需要开发一类能够自身供能且无需照看的电源系统。显然,温差发电对这些应用极为适合。它具有结构简单，坚固耐用，无运动部件，无噪声等特点。对于遥远的太空探测器来说，放射性同位素供热的温差发电器是目前唯一的供电系统。此外，随着全球石油消耗的剧增而伴随的全球能源价格的不断攀升，人们开始对全球目前以石化能源为主体的能源结构所带来的社会和经济问题进行反思，越来越多的技术活动集中到新能源的开发及各类能源的综合利用方面。这自然而然将促进有商业价值的大规模温差发电的可行性进行广泛的研究，尤其是自然界中存在温差的利用以及工业余热的开发利用。
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如图4所示，温差发电片外形尺寸62*62*3.6MM.开路电压18V，电流600MA，负载电压12V，负载电流600MA。耐高温180度，温差100度。温差发电片外形尺寸40*40*3.6MM.开路电压8V，电流600MA，负载电压4V，负载电流600MA。耐高温180度，温差100度。 温差发电组外形尺寸62*62*4.9MM.开路电压8V，电流1.2A，负载电压4V，负载电流1A。耐高温180度，温差100度。
图4 半导体发电片
表1 半导体产品技术参数 公司名称 常山县米合电子有限公司 产品规格 62*62*3.6MM 40*40*3.6MM 62*62*4.9MM 开路电压 18V 8V 8V 电流 600MA 600MA 1.2A 负载电压 12V 4V 4V 负载电流 600MA 600MA 1A 耐高温 180度 1800度 180度 温差 100度 100度 100度
（2）北京惠茂制冷设备有限公司
随着世界范围的保护环境,节约能源的呼声越来越高,利用温差电器件来发电已经是大方向.要达到发电目的需要做到: a. 内阻小,否则功率输不出来; b. 耐高温,最好200度以上; c. 长寿命。
北京惠茂制冷设备有限公司的温差电器件很好地满足了以上三点。 产品技术参数如表2所示：
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表2 半导体产品技术参数 最 大 电 流 /A 30 40 31 50 60 80 40 50 31 60 80 100 3.5 3.5 最 大 电 压 /V 最 大 最 大 功 率 温 差 温差=0 产冷量=0 /W /度 热面温度=27度 64.5 85.5 106.9 64.2 85.5 85.5 106.9 128.3 171.1 213.9 63 61 -- -- -- 63 61 -- -- -- 长 35 35 35 35 35 40 40 40 40 40 尺 寸 /mm 型 号 电 堆 数 电 阻 /Ω 重 量 /g 宽 35 35 35 35 35 40 40 40 40 40 高 5.0 4.5 4.2 4.0 3.8 5.0 4.5 4.2 4.0 3.8 0.09 0.07 0.05 0.04 0.03 0.07 0.05 0.04 0.03 0.03 36 33 31 30 29 37 34 32 31 30 TEC1-03130T125 TEC1-03140T125 TEC1-03150T125 TEC1-03160T125 TEC1-03180T125 TEC1-03140T125 TEC1-03150T125 TEC1-03160T125 TEC1-03180T125 TEC1-031100T125 产品外观如图5所示：
图5 半导体温差发电片
表3 各公司半导体产品对比
产 品 公 司 常山县万谷电子科技有限公司 产 品 优 点 结构简单，坚固耐用，无运动部件，无噪声等特点 耐高温200度以上; 长寿命。 产 品 单 价 110元 产 品 应 用 专为野外使用而生产的军用电源 北京惠茂制冷设备有限公司 120元 广泛用于工业余热,废热的回收利用,航天辅助电力系统等 7
3 总结
如果真有那么一天,半导体温差发电技术成熟应用，热生电效率可观,开关电源损耗的所有表现形式——发出的热量，将大部分被用来转化成电能再回授至负载！想想吧,这是什么概念,这意味着所有笨重的浪费资源的散热片,制造噪音跟灰尘的风扇,将全部被淘汰,加上谐振技术,同步整流技术等等,整台电源效率可接近理想值,届时电源界还有什么问题能算问题,还有什么问题可值得讨论呢？ 本人猜想的热电转换可能分三个阶段来走：
(1) 半导体温差发电技术,转换效率瓶颈克服,技术成熟；
(2) 在现有开关电源的基础上利用辅助热生电技术,提升整体电源效率；
(3) 全面淘汰现有开关电源框架,大规模利用“热生电”解决能量传递问题,具体实现是这样一个过程:AC 220V进入板子后,不用EMI滤波器,不用整流器件,不用变压器,不用功率管;直接接一大功率电阻,使其产生热量,在特定的大功率电阻周围严丝合缝的加上结构配套的半导体温差发电硅套,热能大部分转换成电能后送往后级控制储能电路,输出使用,在这个过程中,只要保证发热量并且热量不要流失,就可以达到极高的效率.还能起到隔离的要求。（总结要认真改，标点符号要逐一检查）
致 谢
感谢厦门理工学院三年来对我的辛苦培育，让我在大学这三年来学到很东西，特别感谢机械系为我提供了良好的学习环境、感谢领导、老师们三年来对我无微不至的关怀和指导，让我得以在这三年中学到很多有用的知识。在此，我还要感谢在班里同学和朋友，感谢你们在我遇到困难的时候帮助我，给我支持和鼓励，感谢你们。
特别感谢我的导师谢丹以及陈水宣的指导与督促，同时感谢他们的谅解与包容。没有谢老师以及陈老师的帮助也就没有今天的这篇报告。求学历程是艰苦的，但又是快乐的。在此谨向谢老师及陈老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。谢谢！
参考文献
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[3] 张鹏，曾狄根，黄学章. 半导体温差发电在工业余热利用中的可行性分析.《广西轻工业》，2009年12期：27-32.
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