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种类:元素半导体 用途:温差发电半导体温差发电模块的应用
在此，我们介绍一种新型的半导体温差发电模块,对其性能进行研究,并在此基础上构建了一套小型发电系统,可利用煤灶、篝火等进行发电。并将发的电储在蓄中，从而用以照明等。
半导体温度发电模块，是一种利用温差直接将热能转化为电能的全固态能量转化发电装置,它无需化学反应且无机械移动部分,因而具有无噪音,无污染,无磨损,重量轻,使用寿命长等种种优点。被广泛地用于工业余热,废热的回收利用,航天辅助电力系统等。随着能源的短缺及人们不断提高的环境保护意识,特别是全球气候变暖问题,半导体温差发电技术以其各种优点越来越引起人们的关注。
半导体温差发电模块是根据塞贝克效应制成的,即把两种半导体的接合端置于高温,处于低温环境的另一端就可得到电动势E:E=As$T=As(T2-T1)。式中:As为塞贝克系数,其单位为V K或LV K.塞贝克系数AS是由材料本身的能带结构决定的。
我们采用的半导体温差发电模块外形尺寸为40mm&40mm&4mm,共有127对PN结,具有一定的耐高温特性(热端稳定工作温度可达180℃,最高短时冲击温度220℃),热电转化效率为11.7%。我国是世界的产煤大国兼农业大国,在广大的农村地区,人们利用煤灶或煤炉烧煤煮饭,取暖等。在北方农村,煤炉通常是24小时持续燃烧。我们利用上述温差发电模块研制发电系统,以便利用煤灶,炉的热能产生电能给、充电或直接带动节能灯,低功耗电视等其它负载。这一发电系统也适用于野外探险时的篝火,从而解决无市电环境下的用电问题。
基于温差发电模块组的盛水器装置，我们设计的装置是，用底部平整的盛水器,在其底部涂上导热硅脂与温差模块的冷端保持良好的热接触(开水的温度为100℃,所以冷端的温度可维持在120℃～130℃)。模块热端向下紧贴在铝片上(也使用导热硅脂)。盛水器与铝片用销钉锁紧以保持温差模块两面与热,冷源的紧密接触。铝片另外有两个支柱用来调节与煤炉或其它热源之间的距离,当热源温度较高时可调大铝片与热源之间的空隙,从而使热端温度不高于200℃。
我们采用电炉作为热源,控制热端温度在180-200℃之间，开水沸腾后,测得模块的冷端温度在120～130℃之间,因而STM两端温差最低可维持50～60℃。通过实验，我们可以看出,半导体温差发电模块作为电源,其串并联的情况与其它电源的串并联并无本质区别。新疆一科研所曾利用发电组件，制作了家用炉灶（炉子烧的是山上的柴草）发电装置。通过散热片把发电组件固定在炉子壁上，冷面散热采用空心的铝板，让山上的冰水从其中流过，散热效果很好。能够较好地保持发电组件两面的温差。发电效果不错。日本东芝公司开发温差发电设备
日本东芝公司最近公布，该公司已开发出一种利用温差发电的设备。这种设备可将排放到大气中的汽车尾气、工厂排出的热气等进行再利用。东芝计划从２００５年起批量生产这种设备。据本地媒体报道，这种设备的形状为边长为４厘米的板状正方形。其工作方式是其中一个面受热，另一面采用汽车运动中的风来冷却，使发电组件两面间 存在温差，通过内置的半导体进行发电。目前市场上销售的其它公司生产的同类产品的耐热性仅为200度，东芝的这种新产品则能承受汽车引擎排出的３００度以上的热气，并由此转化为可供车内使用的电力，实现废气再利用。使用普通燃料或利用余热热源来发电：
使用普通化石燃料作热源以形成温差发电器的实用系统，首推美国专为野外使用而生产的军用电源。它们以各类军队常用的燃油燃烧产生的热量为热源转换为供给战场，尤其是前沿阵地各种电器设备的电能。由于在这些环境中低噪声、能快速启动、能长期连续工作、易携带、维护方便、后勤保障便利等，是使用方首要的考虑，在这些方面，温差电转换发电器大大优于常用的内燃式驱动发电机和化学蓄电池。1988年美国生产了一种外型41.2cmX42.2cmX27.3cm的燃烧式温差发电器。该设备的发电元件由120对热电偶组成,可使用多种军用燃油,一次装载后能连续工作12小时,产生13.1V直流电压,向负载提供120W的电功率。
随着环保意识的加强，以及对传统能源未来中间匮缺的担心，充分利用余热发电的技术手段日益受到关注。2003年黎巴嫩大学的学者将温差电发电器的热端与该国的一种做饭用的火炉外壁连接，冷端置于空气中，利用炉壁的高温与环境的温差来发电。其实验中所使用的温差电元件即产自中国，因为中国的元件性价比最高，该设备实验中单片元件可产生4W的电功率。中国目前已成为世界上最大的温差电元件生产出口国，这为我国未来温差电的广泛应用打下了坚实的基础。温差发电原理是建立在帕尔贴效应的基础上实现的，即当电流流经两种不同材料的导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热(制冷)现象。放热或吸热依电流方向不同而改变，放热或吸热量大小则由电流大小来决定。温差发电应用的是逆效应，当这种温差发电组件的两面有足够量的温差时(现在一面是 烛火的热量，另一面是传热很好的散热器即上方那块铝型材)，就会产生一定量的直流电，发出的直流电的大小与两面温差的大小有关，当然与温差发电组件的规格也非常有关。虽然发出的电量很有限，但如果设计合理，是可以利用发出的电量同时给手机、GPS等用电设备充电、照明、听收音机、或遇险时发出声光求救信号的
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可边煮火锅边发电
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高二男生发明温差发电机
可边煮火锅边发电
日 09:58:08
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　周楚昂的热能发电机点亮了他手里的LED小灯泡。记者 黄宇 摄
&&&&自驾旅游、户外驴行是许多都市人喜欢的旅行方式，不过在环境优美的大自然中，手机、相机没了电该如何充电？市八中高二学生周楚昂发明了一个好东西―――户外便携式多功能温差发电机，可以边煮食物边发电，发出的电可以供手机、相机充电或照明。这项绿色环保的发明获得了本月举行的第26届全国青少年科技创新大赛青少年科技创新成果项目三等奖。
&&&&风景很美，相机却没电了
&&&&他想发明便携发电机
&&&&今年17岁、身高1米83的周楚昂是个活泼健谈的小伙子。因为父母喜欢旅游，从3岁起他就被带着四处旅行，到现在全国只有宁夏和甘肃两省没有去过。
&&&&“父母爱自驾游，四处寻找美丽的自然风光。”周楚昂说，初三毕业时，他和父母一起自驾游川西，面对美丽的风光他不停地按着快门，突然发现相机没电了，本打算用车上的蓄电池充电，但车上的蓄电池的电却被车载冰箱耗光。在车上充电，蓄电池电量有限，如果用电池，携带量大而且不环保，这让周楚昂萌生了发明一种环保、方便，可在各种环境条件下使用的发电机的想法，让爱旅行的人不为户外用电而烦恼。
　　在物理课上得到灵感
&&&&边吃火锅边发电
&&&&“当时自己查阅了很多资料，发现环保的方式多为风能和太阳能，但这也有很大的局限性。”周楚昂说，整个高一他都在琢磨着这个问题，直到在物理课中学习到塞贝克效应的温差发电理论―――无论冷热只要与周围环境存在着温差就可以产生能源，这给周楚昂以重要的启发。　
&&&&去年10月，周楚昂就开始设计自己想象中的温差发电机，经过4个月前后2次修改，终于制作完成。
&&&&昨日，在八中科技楼的实验室内，周楚昂向重庆晨报记者展示了他的发明。只见他抬出一个四周包满了散热片、宽35厘米的四方形物体，看起来可不轻，他揭开上方的方形盖子，中间是一个四方形铁锅，中间还像老式火锅一样有个加碳口，而在铁锅和散热片中间接上了许多电线，在电线端口是4个LED小灯泡。
&&&&周楚昂说这个就是他的发电机，锅是加热的，外面的散热片则是保持外部的常温，中间则是温差发电模块，锅体的四壁涂上导热硅脂与温差模块热端相连，传热箱体的每面有六只发电模块，同时温差模块的冷端与槽铝型散热器保持良好的热接触，这样锅被加热了，就会与外界产生温差，通过温差发电模块就能将热能转化为电能。
&&&&周楚昂在锅内加满水，将固体酒精放入中间的加碳口，燃烧五六分钟后，LED灯亮了，随着水温的升高而变得越来越亮。“点亮这些灯只需要2W的电。经过我们测试，这个发电机的发电功率可以达到10W，能满足户外用电的需要。”周楚昂说，设计成为火锅状，也是为了满足户外露营的需要，如果将油替代水保温性更好，发电时间能更长，这样户外驴行的人还可以边吃火锅边用电了。
&&&&“不过现在这个发电机重达20斤，携带不是很方便，因此我希望将它进一步优化，更好地投入到实际应用中。”周楚昂说。
　　不准备参加高考
&&&&想出国留学从事科研
&&&&对于这个古灵精怪又实用的发明，八中科技科老师刘超说，这正符合周楚昂的个性，因为他就是一个见多识广、动手能力强的学生，高一时还代表学校参加第十一届中国青少年机器人竞赛获得了高中组二等奖。
&&&&平时喜欢打篮球、健身的周楚昂也直言自己不喜欢死读书，更喜欢自己多动脑筋、多动手。“这也和我父亲有很大的关系，他本身就从事科研工作，这次发明就是他一直鼓励我多动手实验，并帮助我查资料，还帮忙联系到重大的实验室进行实验。”周楚昂说，从小母亲对他管得比较严，不过父亲则采取朋友式的沟通方式，在学习上给他讲的是学习方法，不会让他死读书，考试考得不好也不会骂他，而是让他自己总结，自己寻找想要学习的动力。这让他一直保持着轻松愉快的心情学习，成绩在全年级一直处于中等偏上的水平。
&&&&虽然即将步入高三，不过周楚昂已决定不挤高考这个独木桥，他准备出国留学，从事科研工作。“父母希望我能学习工科，从事研究工作，国外大学的动手能力更强，我觉得更适合我。”周楚昂说，接下来他准备考托福，为自己的未来努力。（记者 雍黎）
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（责任编辑:
何丁妮 李相博
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温差发电片让烹饪炉发电
温差发电片原理及应用
温差半导体发电是一种新型的发电方式，即利用塞贝克效应将热能直接转换为电能：
将P型和N型结合的半导体元件组成的器件的一侧维持在低温，另一侧维持在高温，这样器件高温侧就会向低温侧传导热能并产生热流。即热能从高温侧流入器件内，通过器件将热能从低温侧排出时，流入器件的一部分热能不放热，并在器件内变成电能，输出直流电压和电流。通过连接多个这样的器件便可获得较大的电压。该器件即为目前应用日益广泛的温差发电片。
由半导体温差发电片制造的半导体发电机有着无噪音、寿命长、性能稳定等特点。随着现代社会保护环境、节约能源的呼声越来越高、人们更多地在考虑如何有效地将太阳热、海洋热、地热、工业废热、燃烧垃圾的发热等地球上各种热源产生的热能转化为电能。因此半导体温差发电技术必将得到更广泛的应用。
便携式小型电源
利用煤、油、天然气、木材等燃烧热以及取暖炉、烹饪炉等余热作为热源的温差发电装置可以作为便携式小型电源，为野外作业、游牧民族提供电源。其优点是可以利用来源广泛的热源发电，减少蓄电池携带量。此外，这种技术还可以用于制造旅行用便携式应急电源。国外已有可随身携带的小型温差发电器，利用燃烧热、宾馆取暖片等热源发电，用于为便携式电子设备（手机、笔记本电脑等）充电。图是安装在普通炉灶底部的温差发电装置，利用炉膛底部废热发电，已在欧洲应用。主要为外出郊游、旅游者提供辅助电力
高温工业窑炉余热发电。主要利用钢铁、有色金属、玻璃、水泥、陶瓷等耗能工业窑炉以及发电厂等锅炉排放的150~250°C低品位余热发电。这部分低温余热难以采用常规技术发电，热电材料温差发电技术可以填补这方面的技术空白。图2是浙江大学赵新兵等人提出的利用高温炉烟道余热发电的内冷式温差发电系统原理图及模拟器件原型。它利用烟道余热和循环水冷片之间的温差（约100~150°C）发电，可模块化生产，现场组装。
汽车发动机余热发电。美国通用汽车、日本丰田汽车已开始这方面的研发，德国宝马汽车已在系列汽车上进行原型试验（图）。据估算，一辆中高档轿车正常运行时，可利用排气管废热发电千瓦（远期目标可达千瓦或更高）。
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