[发明专利]一种半导体温差发电组件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体温差发电技术领域，具体涉及可用于低品位热利用的高效温差发电组件。 

背景技术

随着建设“资源节约型”和“环境友好型”社会的深入，节能与环保已成为21世纪人类面临的一个共同问题。中国正处在可持续发展的关键阶段,充分回收利用低品位能源、余热、废热能源具有重要意义。我国的能源十分短缺，能源的利用率较低，各种工业余热、废热等低品位热能都没有得到有效利用，迫切需要研发新型能源利用技术以节约能源并提高能源利用效率。

半导体温差发电是一种新型的发电方式，具有结构简单、坚固耐用、清洁、无泄露、无运动部件、无噪声、不受温差限制、使用寿命长等优点。它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，符合绿色环保的要求。所以在军事、航天、工业、医疗等应用领域有明显的优势，民用的市场前景也非常广阔。

目前国内外商用温差发电组件普遍采用氧化铝（Al₂O₃）陶瓷作为温差发电组件基板，其导热系数相对金属材料而言比较低，冷端散热不快，相互接触热阻较大，使得组件两端的温差很难保持较高状态。由于发电粒子与铜导流片通过高温焊料焊接，高温焊料的热膨胀系数与发电粒子的热膨胀系数不匹配时容易脱离，造成模块断路，使发电组件失效。

因此，利用强化传热技术，研制高效的半导体温差发电组件，使之可以回收低温余热和利用太阳能发电是一条很好的节能途径。一方面可以极大地促进我国能源的高效利用，另一方面又可以缓解日益紧张的能源压力和环境压力，对国民经济的持续发展具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种半导体温差发电组件，解决了温差发电组件之间的接触热阻和冷端冷却问题。传统温差发电组件，冷端散热不快，相互接触热阻较大，使得组件两端的温差很难保持较高状态。由于发电粒子与铜导流片通过高温焊料焊接，高温焊料的热膨胀系数与发电粒子的热膨胀系数不匹配时由于热应力的作用容易脱离，造成发电组件的失效。

为解决以上问题，本发明的技术方案是：

一种半导体温差发电组件，包括热端基板、冷端基板和多对PN结发电粒子，相邻两对PN结发电粒子通过铜导流片的内侧串联连接，热端基板、冷端基板分别位于发电粒子的两端，热端基板为氧化铝陶瓷基板，氧化铝陶瓷基板与位于热端的铜导流片的外侧连接；冷端基板为铝合金基板，铝合金基板与位于冷端的铜导流片的外侧之间使用高导热绝缘双面胶连接。

上述的温差发电组件中，铜导流片与所述发电粒子通过高温焊料焊接。

上述的温差发电组件中，所述氧化铝陶瓷基板和位于热端的铜导流片的外侧使用高温焊料焊接。

上述的温差发电组件中，所述氧化铝陶瓷基板在20℃时的导热系数≧24W/(m·K)，线膨胀系数为6.5×10^-6mm/℃，厚度为0.7mm。

上述的温差发电组件中，所述铝基板为铝合金板，在20℃时其导热系数为203W/(m·K)，线性热膨胀系数为22×10^-6/K，厚度为1mm。

上述的温差发电组件中，所述温差发电组件中的P型发电粒子、N型发电粒子均采用经过区熔法制备的碲化铋基热电材料，发电粒子呈矩形截面，熔点为575℃，热导率为1.5W/(m·K)，其线性热膨胀系数为13.0×10^-6/K。

上述的温差发电组件中，所述高导热绝缘双面胶导热系数为1.5W/(m·K)，厚度为0.05mm，粘着力：3.5kg/inch，耐电压大于2.5kV/mm，耐温范围为-20～+180℃。

上述的温差发电组件中，所述高温焊料为Sn₉₅Sb₅焊料，其熔点为232℃，密度为7.24g/cm³，焊接强度为41.37MPa。

本发明利用强化传热技术来提高温差发电组件冷端基板的导热系数，降低铜导流片与基板之间的接触热阻，缓冲焊料与发电粒子的热膨胀应力，提高组件性能。在商用温差发电组件的基础上，组件热端由氧化铝陶瓷作为基板，冷端采用导热系数较高的铝合金作为基板，使用高导热绝缘双面胶代替高温焊料将铜导流片的外侧和铝合金基板连接在一起。