一種分段式溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于溫差發(fā)電領(lǐng)域，是一種分段式溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法（用于計(jì)算 分段式溫差發(fā)電器不同半導(dǎo)體材料的分段比例），該設(shè)計(jì)方法能夠大幅提升現(xiàn)有溫差發(fā)電 器的輸出功率以及熱電轉(zhuǎn)換效率。
【背景技術(shù)】
[0002] 溫差發(fā)電器（TEG)是一種基于塞貝克效應(yīng)，直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，具有 設(shè)計(jì)緊湊，可靠性高，零排放等優(yōu)點(diǎn)，但由于其熱電轉(zhuǎn)換效率低（一般不高于5% )，其發(fā)展 受到了很大的限制。導(dǎo)致其熱電轉(zhuǎn)換效率低的主要原因是當(dāng)前用于制造TEG的半導(dǎo)體材料 的最佳工作溫度范圍大都很小。而在實(shí)際應(yīng)用中，為了更加充分地利用周圍環(huán)境熱能，人們 更傾向于增大TEG冷熱端溫差，目前幾乎沒(méi)有一種半導(dǎo)體材料能夠在足夠大的溫度范圍內(nèi) 保持較高的熱電轉(zhuǎn)換效率。為解決此問(wèn)題，有學(xué)者提出了分段式的溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方 法，即采用多種半導(dǎo)體材料相連接，使其沿著傳熱方向，不同半導(dǎo)體材料均可在其各自不同 的最佳溫度范圍內(nèi)工作。實(shí)踐證明分段式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以顯著提升TEG的輸出功率及熱電 轉(zhuǎn)換效率。但是在分段式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中，分段比例的計(jì)算這個(gè)直接關(guān)系到分段式溫差發(fā) 電器性能好壞的重要因素，還沒(méi)有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行專門(mén)的研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種分段式溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。分段式溫差發(fā)電 器由多種半導(dǎo)體材料以一定的比例組合而成，使所有半導(dǎo)體材料都能在其最佳溫度范圍內(nèi) 工作，從而大幅提升溫差發(fā)電器的輸出功率及熱電轉(zhuǎn)換效率。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)目的通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0005] 本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法是基于"不同半導(dǎo)體材料之間存在一個(gè)最佳的接觸面溫度"的 假設(shè)，也就是說(shuō)：對(duì)于兩種不同的半導(dǎo)體材料，其中一種半導(dǎo)體材料的性能在高于某個(gè)溫度 值時(shí)優(yōu)于另外一種材料，而另一種材料恰恰相反。在這種情況下，進(jìn)行分段式溫差發(fā)電器結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，使前一種半導(dǎo)體材料在高溫區(qū)工作，后一種材料在低溫區(qū)工作，而兩種半導(dǎo)體材 料的接觸面溫度值等于該溫度值，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠最大限度提升分段式溫差發(fā)電器的性 能。本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法針對(duì)具有多級(jí)分段式結(jié)構(gòu)單元的溫差發(fā)電器進(jìn)行，以二級(jí)分段式結(jié) 構(gòu)為例，如附圖1所示，這種溫差發(fā)電器由導(dǎo)電連接層1、多段P型半導(dǎo)體（附圖1為兩段， 即已型半導(dǎo)體2、P2型半導(dǎo)體3)、多段n型半導(dǎo)體（附圖1為兩段，即N:型半導(dǎo)體4、N2型 半導(dǎo)體5)構(gòu)成。其中多段p型半導(dǎo)體相連接（附圖1中？:型半導(dǎo)體2和P2型半導(dǎo)體3相 連接），多段n型半導(dǎo)體相連接（附圖1中&型半導(dǎo)體4和\型半導(dǎo)體5相連接），p型半 導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體平行排列，導(dǎo)電連接層1用于實(shí)現(xiàn)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間的電連 接。
[0006] 一種分段式溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，按照下述步驟進(jìn)行：
[0007] 第一步，確定溫差發(fā)電器所用材料的物性參數(shù)、幾何參數(shù)和所處的工作環(huán)境：
[0008] (1)多段p型半導(dǎo)體中每個(gè)p型半導(dǎo)體的物性參數(shù)，第i個(gè)p型半導(dǎo)體材料Pi (i =1,2,3,……，N)的塞貝克系數(shù)api、電導(dǎo)率〇pi、導(dǎo)熱系數(shù)A pi，自熱源至冷源方向依次 為p型半導(dǎo)體材料Pl，p型半導(dǎo)體材料P2，p型半導(dǎo)體材料P3,……，p型半導(dǎo)體材料Pn，且 每個(gè)P型半導(dǎo)體材料的橫截面積一致；
[0009] (2)多段n型半導(dǎo)體中每個(gè)n型半導(dǎo)體的物性參數(shù)，第i個(gè)n型半導(dǎo)體材料Ni (i =1,2,3,……，M)的塞貝克系數(shù)a ni、電導(dǎo)率Oni、導(dǎo)熱系數(shù)Ani，自熱源至冷源方向依次 為n型半導(dǎo)體材料N1, n型半導(dǎo)體材料N2，n型半導(dǎo)體材料N3, ......，n型半導(dǎo)體材料NM，且 每個(gè)n型半導(dǎo)體材料的橫截面積一致；
[0010] ⑶導(dǎo)電連接層的導(dǎo)熱系數(shù)入c;
[0011] (4)溫差發(fā)電器熱源溫度Th、冷源溫度T。，溫差發(fā)電器頂端和熱源之間的恒定傳熱 系數(shù)Ii 1、溫差發(fā)電器底端和冷源之間的恒定傳熱系數(shù)h2;
[0012] (5)連接半導(dǎo)體材料Pn的導(dǎo)電連接層與冷源的接觸面積A 3p、連接半導(dǎo)體材料Nm的 導(dǎo)電連接層與冷源的接觸面積A3n、溫差發(fā)電器頂端導(dǎo)電連接層與熱源的接觸面積A 1;
[0013] (6)組成多段p型半導(dǎo)體的每個(gè)p型半導(dǎo)體材料的橫截面積一致且均為橫截面積 A2p、組成多段n型半導(dǎo)體的每個(gè)n型半導(dǎo)體材料的橫截面積一致且均為橫截面積A 2n;
[0014] (7)多段p型半導(dǎo)體和多段n型半導(dǎo)體的總體長(zhǎng)度相等且均為1、導(dǎo)電連接層的厚 度Sc。
[0015] 目前，品質(zhì)因數(shù)（Z = a2〇/A)和其分子（a2〇，也稱為功率因子），是評(píng)價(jià)熱電 材料綜合性能的兩個(gè)重要參數(shù)，但是這兩個(gè)參數(shù)都是在"TEG單元冷熱端面的溫度差（A T) 是恒定的（恒壁溫邊界條件）"這個(gè)假設(shè)下得到的，考慮到TEG和外界環(huán)境之間的熱阻的影 響，這種假設(shè)條件事實(shí)上是不符合實(shí)際的。于是在本發(fā)明技術(shù)方案中，使用兩個(gè)新參數(shù)：功 率因子（ZJ) p、效率因子（ZJ)e進(jìn)行評(píng)價(jià)。
[0016] 以p型或n型半導(dǎo)體材料為例，進(jìn)行新參數(shù)的推導(dǎo)，本推導(dǎo)過(guò)程意在得到評(píng)定半 導(dǎo)體材料綜合性能的參數(shù)，不需在分段條件下進(jìn)行，P型或n型半導(dǎo)體材料兩端的溫度差 (A T)的表達(dá)式為：
[0019] 可以看出TEG與外部環(huán)境（熱源和冷源）之間的熱阻的影響被考慮在內(nèi)。如果它 們?yōu)榱?，方程?)的表達(dá)式為：AT = Th-K "恒壁溫"條件）。塞貝克電勢(shì)（Vs)和TEG單 元的內(nèi)阻（r)分別為：
[0020]Vs=(ap-an)AT (2)
[0021]
[0022] 定義M作為外部負(fù)載電阻與TEG內(nèi)阻的比值（M = IVr)，TEG單元的輸出功率可 以根據(jù)方程（1)-(3)導(dǎo)出：
[0028] 正如方程（1)-(6)所示，由于重新定義溫度差（AT)，我們得到了新的輸出功率和 熱電轉(zhuǎn)化效率的表達(dá)式。
[0029] 正如方程（4)-(6)所示，對(duì)于一個(gè)確定的TEG單元，熱源和冷源的溫度（Th、T。)，幾 何參數(shù)（1、A和A s)，以及變量M都是設(shè)計(jì)或工作參數(shù)，并且獨(dú)立于熱電材料本身的物性參 數(shù)。假設(shè)P型和n型材料具有相同的物性參數(shù)（即C lp=-a n，〇p= 〇 n，Ap=人n)，可以 推導(dǎo)出和TEG的輸出功率（方程（4))、熱電轉(zhuǎn)化效率（方程(6))有關(guān)的兩個(gè)新參數(shù)，功率 因子和效率因子：
[0033] 其中Th、T。分別表示熱源溫度、冷源溫度，h p h2分別表示溫差發(fā)電器頂端與熱源 之間的恒定傳熱系數(shù)、溫差發(fā)電器底端與冷源之間的恒定傳熱系數(shù)，a p、〇 p、\分別表示 P型半導(dǎo)體的塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)，an、〇n、\"分別表示 n型半導(dǎo)體的塞貝克系 數(shù)、電導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)，a、〇、X分別表示任意半導(dǎo)體的塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)，1、 八、4分別表示半導(dǎo)體的長(zhǎng)度、半導(dǎo)體的橫截面積、TEG單元的頂端與熱源接觸面積或底端與 冷源接觸面積，R p、Rn、Rh、R。分別表示P型半導(dǎo)體的總熱阻、n型半導(dǎo)體的總熱阻、TEG與熱 源之間的傳熱熱阻、TEG與冷源之間的傳熱熱阻。
[0034] 從這兩個(gè)新參數(shù)表達(dá)式中不難發(fā)現(xiàn)，品質(zhì)因數(shù)（Z = a 2〇 / X )和功率因子（a 2 〇 ) 只是兩個(gè)新參數(shù)在恒壁溫邊界條件下（此時(shí)m = 0)的特例，這說(shuō)明兩個(gè)新參數(shù)實(shí)際上分別 是原功率因子和品質(zhì)因數(shù)的修正。從附圖3可以看出，由具有相同品質(zhì)因數(shù)的半導(dǎo)體材料 組成的TEG在恒壁溫邊界條件下（實(shí)心圖）最大熱電轉(zhuǎn)換效率基本相同，在恒對(duì)流邊界條 件下，其值則相差很大，這說(shuō)明品質(zhì)因數(shù)只適用于恒壁溫邊界條件；從附圖4可以看出，在 恒對(duì)流邊界條件下，由具有相同功率因子（或效率因子）的半導(dǎo)體材料組成的TEG，其最大 輸出功率（或最大熱電轉(zhuǎn)換效率）則基本相同?？紤]到實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)方法采用新推導(dǎo) 出的功率因子和效率因子確定接觸面溫度值。
[0035] 步驟二，基于上述功率因子和效率因子，繪制多段p型半導(dǎo)體或者多段n型半導(dǎo)體 中自上而下的相鄰的兩個(gè)半導(dǎo)體材料的功率因子與溫度的曲線圖以及效率因子與溫度的 曲線圖，在功率因子與溫度的曲線圖中兩個(gè)半導(dǎo)體材料的功率因子與溫度曲線的交點(diǎn)即為 欲獲得最大功率利用功率因子的最佳接觸面溫度，在效率因子與溫度的曲線圖中兩個(gè)半導(dǎo) 體材料的效率因子與溫度曲線的交點(diǎn)即為欲獲得最大熱電轉(zhuǎn)換效率利用效率因子的最佳 接觸面溫度；欲獲得最大功率利用功率因子的最佳接觸面溫度以及欲獲得最大熱電轉(zhuǎn)換效 率利用效率因子的最佳接觸面溫度，均可被稱為最佳接觸面溫度。
[0036] 為方便表述，將最佳接觸面溫度，定義為T(mén)ip和T in，其中Tip中，T代表溫度，p代表 多段P型半導(dǎo)體，i代表在多段P型半導(dǎo)體中第i個(gè)P型半導(dǎo)體和第（i+1)個(gè)P型半導(dǎo)體之 間的接觸面溫度，i = 1，2, 3，……，N-1 ;Tin中，T代表溫度，n代表多段n型半導(dǎo)體，i代表 在多段n型半導(dǎo)體中第i個(gè)n型半導(dǎo)體和