半导体温差发电实验仪器的研制

陈国庆，宁 铎*，梁栋平，文 婷

(1.陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021;2.陕西龙门钢铁有限责任公司，陕西韩城715400)

半导体温差发电实验仪器的研制

陈国庆1，宁 铎1*，梁栋平2，文 婷1

(1.陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021;2.陕西龙门钢铁有限责任公司，陕西韩城715400)

为了测试温差发电模块性能，根据半导体温差发电原理设计制作了一种半导体温差发电仪器，该仪器主要由发电模块、温控系统和显示电路组成。它以STC89C52RC单片机为控制核心，可以在一定范围内设定温差进行发电，并且无需手动测量即可实时显示相应温差下的发电模块输出电压值/电流值，不但定性而且定量的测试了温差发电模块的输出特性，绘制了相关曲线，分析了影响其输出特性的因素。结果表明:该仪器操作简单、灵敏度高、速度快。

温差发电;塞贝克效应;信号采集;温度控制;实时显示

随着化石能源的不断消耗造成的环境污染问题日益严重，寻求一种低碳环保的发展方式已经成为各国的共识。温差发电是一种新型的环境友好型发电方式，它的研究最早开始于20世纪40年代［1］，由于其具有清洁、安全、寿命长、可靠性高等优点，温差发电在航空、军事等领域得到了广泛的应用。近年来，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造性能优良的热电材料，虽然我国是世界上最大的半导体热电器件输出国，但是在温差发电器综合设计和应用方面的研究还很欠缺［2］，因此通过半导体温差发电实验仪器引导更多的人了解温差发电并投入到这个研究领域有着非常重要的意义。

1 半导体温差发电原理

1.1 塞贝克效应(Seebeck Effect)

如图1所示，由两种不同材料的导体构成的回路，如果结点处温度不同，那么这个回路中就会有电流产生，在导体A开路处会有电动势存在，这个现象就叫做塞贝克效应［3］，它是温差发电的基础。

若导体A和导体B处于不同的稳定温度T1和T2。则在回路的开路端会有一个电势差，称之为赛贝克电压。其表达式为

式中V为开路段的电势差，SA(T)、SB(T)分别为导体材料A、B的塞贝克系数，T1、T2分别为A、B结点处的绝对温。如果SA(T)、SB(T)不随温度的变化而变化，式(1)即可以表达为:

图1 温差发电原理图

图2 系统结构框图

1.2 半导体温差发电单元和温差发电模块

图3为温差发电单元示意图，它是指将P型和N型两种不同类型的热电材料一端相连形成PN结，使其一端置于高温状态，另一端处于低温状态态。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。在浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而形成电动势［4］，这样热电材料就通过高低温端间的温差将高温端输入的热能直接转化成电能。温差发电模块是将几十个甚至上百个温差发电单元组合在一块形成的。

图3 温差发电单元示意图

2 半导体温差发电实验仪器

2.1 实验装置总体设计

该仪器的功能是根据设定温差自动测量并显示某时刻发电模块输出电压与电流值。如图4所示，仪器以半导体温差发电模块为核心，发电模块的冷热两端各加一块铝板，目的是为了加热均匀，铝板外侧分别是PTC加热器和电阻丝加热器(或DC12V风扇)。当设置一个温差ΔT时，PTC加热器自动恒温80摄氏度(即热端温度TH=80℃)，冷端理想温度为TL=TH-ΔT，即把对温差的控制转化为对冷端温度的控制。采用闭环控制方法［5］，将冷端温度作为被控量，温度传感器AD590不断检测冷端温度，并把检测到的温度与冷端理想温度进行比较，根据比较结果执行相应的动作，最终使得温差稳定在设定值。这时LCD液晶显示的电压与电流值就是设定温差下发电模块输出值。

图4 温差发电系统框图

2.2 实验仪器硬件设计

硬件部分主要包括控制器，温差发电模块，温度测量模块，A/D转换模块，液晶显示模块，加热模块等组成。

2.2.1 控制器

STC89C52RC单片机是一种低功耗、高性能的51内核的CMOS 8 bit微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，不再需要启动像STC89C51那样的12V的VPP编程高压。使用简单且价格非常低廉。单片机通过处理温差设定值和采集的温度值来调节I/O的输出进而控制温度的值，并控制温差发电模块输出电压与电流值的实时显示。

2.2.2 温差发电模块

采用TEC1-12706温差发电片，它由Bi2Te3，Sb2Te3固溶体合金材料组成。它PN结对数为127，内部阻值2.1 Ω～2.4 Ω，温度范围-55℃～83℃，尺寸为40 mm×40 mm×3.8 mm。

2.2.3 温度测量模块

采用AD590温度传感器作为测量电路［8］，AD590属于电流输出型元件，它的输出电流是以绝对温度零度(-273℃)为基准，每增加1℃，它会增加1 μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=273+ 25=298 μA。它的测温范围为-55℃～150℃，满足实验要求。

2.2.4 A/D转换模块

温度测量电路采集到的温度值以及温差发电模块输出的电压值均为模拟信号，需要转化为数字信号才能被单片机处理。温度控制系统的A/D转换模块采用ADC0809，它是带有8 bit A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。而且它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

2.2.5 液晶显示电路

为了同时显示热冷端温度、温差以及温差发电模块输出电压与电流，选用YD12864-0402B点阵LCD显示电路，其显示分辨率为128×64，内置8 192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCⅡ字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面，且其硬件电路结构和显示程序都比较简洁。

2.2.6 加热模块

热端采用PTC(Positive Temperature Coefficient)陶瓷加热器加热，PTC型陶瓷加热器采用PTC陶瓷发热组件与波纹条经高温胶粘组成，具有热阻小、安全高效、节能环保、自动恒温等优点。冷端加热采用电阻丝加热，通过一个闭环控制［7］来控制电阻丝的温度。

2.3 实验仪器软件设计

2.3.1 软件流程图

软件流程图如图5所示，其中TH为温差发电模块热端温度，TL为温差发电模块冷端温度，ΔT为设定的温差值，TL、TH和ΔT的单位均为摄氏度。

图5 软件流程图

3 实验结果分析

3.1 固定负载情况下发电模块输出特性

从表1可以看出，发电模块输出电压、电流和功率值均随着温差的增大而变大，并且刚开始增速比较大，当温差达到一定值后，它们的增速变得比较平稳。

表1 负载为2 Ω时发电模块输出电压电流与功率值

3.2 变负载下功率与温差的关系

从表2可以看出，在相同的冷热端温差条件下，负载逐渐增加，输出功率先增加后减小。这是由于输出功率与输出电压及电流均有关系，只有在负载达到匹配条件即负载等于温差发电片内阻的时候，输出功率才能达到最大值，可由式(3)表示:

式中，RL为负载电阻，r为温差发电片内阻，U为热电势。

表2 变负载时不同温差下输出功率

3.3 不同散热方式时输出功率

由表3可以看出，在热端温度TH=80℃，负载电阻RL=4 Ω时，3种散热方式下各时刻输出功率值基本稳定，其中水冷散热时输出功率最大，约为0.682 W，风扇散热次之，约为0.639 W。自然风冷输出功率最小，约为0.581 W。由此可见，在相同情况下，选择合理的散热方式，可以提高发电模块的输出功率。

通过式(2)可知，U在温差不变的条件下也是一个定值，故当RL/(RL+r)2最大时，输出功率达到最大值。根据不等式当RL=r时，输出功率达到最大值，且最大值

表3 TH=80℃，RL=4 Ω时不同散热方式［6］下输出功率

3.4 塞贝克系数计算

由式(1)知:

其中ΔV为电压差，ΔT为温差，αAB为A、B的塞贝克系数。以表1数据计算A、B的塞贝克系数并绘图如图6所示。

图6 塞贝克系数曲线

4 结论

通过该仪器对半导体温差发电模块的特性进行了研究，结果表明:在一定范围内输出功率随温差增大而增大;匹配电阻为2 Ω时输出功率最大;相同条件下分别采用自然风冷、风扇散热和水冷散热3种散热方式，输出电压依次变大;不同温差下，同一种材料的塞贝克系数也会发生一定的变化，但总体波动不大。

［1］ 高敏，张景韶，DMR［英］.温差电转换及其应用［M］.北京:兵器工业出版社，1996:226-230.

［2］ 赵建云，朱冬生，周泽广，等.温差发电技术的研究进展及现状［J］.电源技术，2010，134(3):310-313.

［3］ 周子鹏.半导体温差发电装置的研制［D］.河北工业大学，2008.

［4］ 贾磊，陈则韶，胡凡，等.半导体温差发电器器件的热力学分析［J］.中国科学技术大学学报，2002，34(6):684-687.

［5］ 张箐.单片机温度控制系统方案的研究［J］.上海交通大学学报，2007，41(1):142-148.

［6］ 胡韩莹，朱冬生.热电制冷技术的研究进展与评述［J］.制冷学报，2008，29(5):1-7.

［7］ 张华，郑宾，武晓栋.基于LabVIEW的温度测试系统［J］.电子器件，2013，36(2):243-246.

［8］ 王广志，吴颖，黄志光.数字式温度传感器与分布式温度测量系统［J］.传感技术学报，2001，14(1):26-32.

陈国庆(1984- )，男，汉族，陕西韩城人，硕士研究生，研究方向为自动控制、仪器仪表研制，cgqbj@163.com;

宁 铎(1955- )，男，汉族，陕西礼泉人，教授、硕导，研究方向为智能仪器仪表研制、太阳能聚光器应用研究。

Development of Semiconductor Thermoelectric Generator Experiment Device

CHEN Guoqing1，NING Duo1*，LIANG Dongping2，WEN Ting1

(1.College of Electrical and Information Engineering，Shanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China; 2.Shanxi Longmen Iron＆Steel(Group)Co.，Ltd，Hancheng Shanxi 715400，China)

In order to test the performance of thermoelectric module，according to the semiconductor thermoelectric power generation principle，a semiconductor thermoelectric power generation unit was designed.The apparatus mainly consists of the power generation module，temperature control system and a display circuit.It takes STC89C52RC single-chip microcomputer as a control core，and can be set within a certain range temperature difference for generating electric power，and without manual measurements output voltage value and current value of the corresponding temperature difference power generation module can be displayed in real time，not only qualitatively but also quantitatively test the output characteristic of thermoelectric generation module，to draw the correlation curve，and analyze the influence of output characteristics.The results show that the instrument has the advantages of simple operation，high sensitivity and resposibility fast.

thermoelectric generation;seebeck effect;temperature control;signal acquisition;real-time display

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.023

TP273

A

1005－9490(2014)02－0275－04

2013-06-26修改日期:2013-07-09

EEACC:8460