[发明专利]一种温差发电系统电动势计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体温差发电技术领域。尤其涉及一种温差发电系统电动势计算方法。

背景技术

1821年德国科学家Seebeck发现，在两种不同的金属构成的闭合回路中，当两个接头存在温差时，回路将产生电流，这个现象被称为塞贝克效应。温差发电就是利用塞贝克效应，通过在热电材料两端维持一定的温差，从而产生一定的电压和电功率输出。通过研究发现，半导体材料的热电优值较大，目前人们在温差系统中应用的热电材料都是半导体材料，所以又称为半导体温差发电。

长久以来，由于受到转换效率和成本的制约，温差发电技术除了在航天和军事等尖端技术领域应用外，很少用于工业和民用产业。但是，随着人们对能源危机的认识，温差发电技术可以利用自然界中存在的大量的温差以及工业余热，具有良好的综合社会经济效益。同时，随着人们对空间探索兴趣，医用物理学的进展，和大规模无线传感器的应用，需要开发一类能够自身供给能量并无需照看的电源系统，显然，温差发电对这些应用极为合适。温差发电作为一种全固态能量转换方式，具有无介质泄露，无噪声，性能可靠，维护少等优点的绿色环保能源，在微型能源、低品位能源、废能源利用方面的应用价值越来越明显。因而，尽快实现温差发电技术及其应用的产业化具有重要的现实意义。在温差发电系统作为电源系统设计和应用过程中，一个很重要的问题就是：如何确定实际温差发电系统提供的电动势U_S＝mα(T₁-T₂)的数值。其中，m为温差发电系统中串联的半导体片数，α＝α_P-α_N，α_P，α_N分别为P型和N型半导体元件的赛贝克系数，由温差发电材料自身的特性决定，T₁和T₂分别是温差发电器件热端和冷端温度。可见，如何得到温差发电器件热冷端实际温度差ΔT＝T₁-T₂，是确定温差发电系统提供的电动势的关键问题。

图1为温差发电系统工作的基本原理示意图，实际温差发电系统为得到较高的电动势，可由多片P、N两种类型的半导体元件串联组成，P、N两种类型的半导体经电导率较高的导流片及负载电路串联而成。根据热力学定律，温差发电系统的热电材料的特点，和电路定律，可导出由m片半导体元件串联构成的温差发电系统数学模型。目前，主要采用的数学模型是由式(1-1)～(1-6)组成的方程组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)