[发明专利]一种高热电转换效率的混联式温差发电片

说明书

本发明属于温差发电技术领域，公开一种高热电转换效率的混联式温差发电片，包括：冷端面、热端面和位于二者之间的热电偶组合单元，其中：冷端面划分为冷却区域和非冷却区域，冷却区域与冷源接触，非冷却区域不与冷源接触；热端面完全接触热源；热电偶组合单元采取短热电偶臂组合和长热电偶臂组合的形式构建热电偶的并联与串联回路，热电偶组合单元相当于一个或多个并联连接的简单热电偶；混联式温差发电片包括多个热电偶组合单元，从混联式温差发电片的中心线两侧纵向设置多列热电偶组合单元，不同列热电偶组合单元由转向金属导流片串联连接，形成一个整体热电偶转换电路。本发明具有输出电流大、外特性好的特点，且热电转换效率得到显著地提高。

技术领域

本发明涉及温差发电技术领域，具体涉及一种高热电转换效率的混联式温差发电片。

背景技术

温差发电片是一种能够将热能直接转换为电能的半导体组件，其基础理论是热电效应，关键技术包括：热电材料的研发与制备，以及热电偶阵列的设计与制造。现有的温差发电片一般采取三层结构，上下两层是绝缘片覆盖的冷端面和热端面，工作时分别接触冷源和热源，中间层设置多组串联连接的热电偶，是进行热电转换的元件。热电偶的臂采取条块状的n型和p型半导体材料制作，高度相同且直立设置，工作时起到导电电路和导热热路的双重作用。热电偶臂的两个顶端分别用金属导流片交错连接，形成热电偶回路的冷接点和热接点，全部冷接点形成温差发电片的冷端面，全部热接点形成温差发电片的热端面。因而，温差发电片的电路是串联连接，而热路是并联连接的。

温差发电片是热电转换装置的核心元件。热电转换效率是其最重要的技术指标之一，定义为：输出的电能与热端吸取热量的比值(热端吸取的热量包括热电转换需要的热量以及自身的导热量)。目前，温差发电片的热电转换效率仅为4.5％左右，是实际应用中的最大障碍，为了解决这一问题，科技界一直在研发高性能的热电材料，用于制作热电偶臂，但至今的研发成果尚无明显的进展。究其原因是要求一种热电材料同时满足塞贝克系数高、电阻小而且导热系数小三个条件极为困难。此外，现有技术中，温差发电片的结构缺陷也使其热电转换效率难以提高，原因是：(1)温差发电片的热电偶全部采取串联连接，优点是电路比较简单、电压可以叠加提高，缺点是内电阻很大，导致了电量的无功损耗；(2)全部热电偶臂的两端分别接触冷端面和热端面，形成了导热热路的并联连接，由于温差的存在，热电偶臂的冷端与热端之间不可避免地产生极大的导热量，造成热端吸热量的无功损耗。

发明内容

为了克服以上现有技术的不足，本发明提供一种高热电转换效率的混联式温差发电片。本发明的温差发电片从结构设计出发，具有输出(工作)电流大、外特性好，而且热电转换效率显著提高的特点。

本发明采用以下技术方案实现：

本发明高热电转换效率的混联式温差发电片(简称：温差发电片)仍保持现有温差发电片的外形尺寸、热电材料以及热电偶臂阵列的规模不变。温差发电片的热端面(热面)仍然完全接触热源，以保证最大限度地从热源吸取热量。冷端面(冷面)的改变原则是只允许部分表面积接触冷源，即通过减少冷面的导热面积减少传递的热量。同时，提供一种新型的具有多接点的混联式热电偶组合单元，解决了现有技术中电路完全是串联连接，而且热路完全是并联连接所引起的问题，从而达到提高热电转换效率的目的。具体地：

(1)根据传热学原理，沿固体的传热量与其两端的温差、导热系数、导热面积成正比，与导热距离成反比。因而，本发明将温差发电片的冷端面划分为冷却区域和非冷却区域。冷却区域需要与冷源接触，而非冷却区域不需要与冷源接触，这两种区域之间相互分隔无热量的传递。冷却区域面积越小，热端面的吸热量经过热电偶臂传入冷端面的总热量就越少。