一種分段式溫差發電器結構設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于溫差發電領域，是一種分段式溫差發電器的結構設計方法（用于計算 分段式溫差發電器不同半導體材料的分段比例），該設計方法能夠大幅提升現有溫差發電 器的輸出功率以及熱電轉換效率。
【背景技術】
[0002] 溫差發電器（TEG)是一種基于塞貝克效應，直接將熱能轉換為電能的裝置，具有 設計緊湊，可靠性高，零排放等優點，但由于其熱電轉換效率低（一般不高于5% )，其發展 受到了很大的限制。導致其熱電轉換效率低的主要原因是當前用于制造TEG的半導體材料 的最佳工作溫度范圍大都很小。而在實際應用中，為了更加充分地利用周圍環境熱能，人們 更傾向于增大TEG冷熱端溫差，目前幾乎沒有一種半導體材料能夠在足夠大的溫度范圍內 保持較高的熱電轉換效率。為解決此問題，有學者提出了分段式的溫差發電器結構設計方 法，即采用多種半導體材料相連接，使其沿著傳熱方向，不同半導體材料均可在其各自不同 的最佳溫度范圍內工作。實踐證明分段式的結構設計可以顯著提升TEG的輸出功率及熱電 轉換效率。但是在分段式的結構設計之中，分段比例的計算這個直接關系到分段式溫差發 電器性能好壞的重要因素，還沒有學者對此進行專門的研宄。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種分段式溫差發電器的結構設計方法。分段式溫差發電 器由多種半導體材料以一定的比例組合而成，使所有半導體材料都能在其最佳溫度范圍內 工作，從而大幅提升溫差發電器的輸出功率及熱電轉換效率。
[0004] 本發明的技術目的通過下述技術方案予以實現：
[0005] 本發明的設計方法是基于"不同半導體材料之間存在一個最佳的接觸面溫度"的 假設，也就是說：對于兩種不同的半導體材料，其中一種半導體材料的性能在高于某個溫度 值時優于另外一種材料，而另一種材料恰恰相反。在這種情況下，進行分段式溫差發電器結 構設計時，使前一種半導體材料在高溫區工作，后一種材料在低溫區工作，而兩種半導體材 料的接觸面溫度值等于該溫度值，這種結構設計能夠最大限度提升分段式溫差發電器的性 能。本發明的設計方法針對具有多級分段式結構單元的溫差發電器進行，以二級分段式結 構為例，如附圖1所示，這種溫差發電器由導電連接層1、多段P型半導體（附圖1為兩段， 即已型半導體2、P2型半導體3)、多段n型半導體（附圖1為兩段，即N:型半導體4、N2型 半導體5)構成。其中多段p型半導體相連接（附圖1中？:型半導體2和P2型半導體3相 連接），多段n型半導體相連接（附圖1中&型半導體4和\型半導體5相連接），p型半 導體和n型半導體平行排列，導電連接層1用于實現p型半導體和n型半導體之間的電連 接。
[0006] 一種分段式溫差發電器結構設計方法，按照下述步驟進行：
[0007] 第一步，確定溫差發電器所用材料的物性參數、幾何參數和所處的工作環境：
[0008] (1)多段p型半導體中每個p型半導體的物性參數，第i個p型半導體材料Pi (i =1,2,3,……，N)的塞貝克系數api、電導率〇pi、導熱系數A pi，自熱源至冷源方向依次 為p型半導體材料Pl，p型半導體材料P2，p型半導體材料P3,……，p型半導體材料Pn，且 每個P型半導體材料的橫截面積一致；
[0009] (2)多段n型半導體中每個n型半導體的物性參數，第i個n型半導體材料Ni (i =1,2,3,……，M)的塞貝克系數a ni、電導率Oni、導熱系數Ani，自熱源至冷源方向依次 為n型半導體材料N1, n型半導體材料N2，n型半導體材料N3, ......，n型半導體材料NM，且 每個n型半導體材料的橫截面積一致；
[0010] ⑶導電連接層的導熱系數入c;
[0011] (4)溫差發電器熱源溫度Th、冷源溫度T。，溫差發電器頂端和熱源之間的恒定傳熱 系數Ii 1、溫差發電器底端和冷源之間的恒定傳熱系數h2;
[0012] (5)連接半導體材料Pn的導電連接層與冷源的接觸面積A 3p、連接半導體材料Nm的 導電連接層與冷源的接觸面積A3n、溫差發電器頂端導電連接層與熱源的接觸面積A 1;
[0013] (6)組成多段p型半導體的每個p型半導體材料的橫截面積一致且均為橫截面積 A2p、組成多段n型半導體的每個n型半導體材料的橫截面積一致且均為橫截面積A 2n;
[0014] (7)多段p型半導體和多段n型半導體的總體長度相等且均為1、導電連接層的厚 度Sc。
[0015] 目前，品質因數（Z = a2〇/A)和其分子（a2〇，也稱為功率因子），是評價熱電 材料綜合性能的兩個重要參數，但是這兩個參數都是在"TEG單元冷熱端面的溫度差（A T) 是恒定的（恒壁溫邊界條件）"這個假設下得到的，考慮到TEG和外界環境之間的熱阻的影 響，這種假設條件事實上是不符合實際的。于是在本發明技術方案中，使用兩個新參數：功 率因子（ZJ) p、效率因子（ZJ)e進行評價。
[0016] 以p型或n型半導體材料為例，進行新參數的推導，本推導過程意在得到評定半 導體材料綜合性能的參數，不需在分段條件下進行，P型或n型半導體材料兩端的溫度差 (A T)的表達式為：
[0019] 可以看出TEG與外部環境（熱源和冷源）之間的熱阻的影響被考慮在內。如果它 們為零，方程（1)的表達式為：AT = Th-K "恒壁溫"條件）。塞貝克電勢（Vs)和TEG單 元的內阻（r)分別為：
[0020]Vs=(ap-an)AT (2)
[0021]
[0022] 定義M作為外部負載電阻與TEG內阻的比值（M = IVr)，TEG單元的輸出功率可 以根據方程（1)-(3)導出：
[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 熱電轉化效率的表達式。
[0029] 正如方程（4)-(6)所示，對于一個確定的TEG單元，熱源和冷源的溫度（Th、T。)，幾 何參數（1、A和A s)，以及變量M都是設計或工作參數，并且獨立于熱電材料本身的物性參 數。假設P型和n型材料具有相同的物性參數（即C lp=-a n，〇p= 〇 n，Ap=人n)，可以 推導出和TEG的輸出功率（方程（4))、熱電轉化效率（方程(6))有關的兩個新參數，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分別表示溫差發電器頂端與熱源 之間的恒定傳熱系數、溫差發電器底端與冷源之間的恒定傳熱系數，a p、〇 p、\分別表示 P型半導體的塞貝克系數、電導率、導熱系數，an、〇n、\"分別表示 n型半導體的塞貝克系 數、電導率、導熱系數，a、〇、X分別表示任意半導體的塞貝克系數、電導率、導熱系數，1、 八、4分別表示半導體的長度、半導體的橫截面積、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型半導體的總熱阻、n型半導體的總熱阻、TEG與熱 源之間的傳熱熱阻、TEG與冷源之間的傳熱熱阻。
[0034] 從這兩個新參數表達式中不難發現，品質因數（Z = a 2〇 / X )和功率因子（a 2 〇 ) 只是兩個新參數在恒壁溫邊界條件下（此時m = 0)的特例，這說明兩個新參數實際上分別 是原功率因子和品質因數的修正。從附圖3可以看出，由具有相同品質因數的半導體材料 組成的TEG在恒壁溫邊界條件下（實心圖）最大熱電轉換效率基本相同，在恒對流邊界條 件下，其值則相差很大，這說明品質因數只適用于恒壁溫邊界條件；從附圖4可以看出，在 恒對流邊界條件下，由具有相同功率因子（或效率因子）的半導體材料組成的TEG，其最大 輸出功率（或最大熱電轉換效率）則基本相同。考慮到實際情況，本設計方法采用新推導 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型半導體或者多段n型半導體 中自上而下的相鄰的兩個半導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半導體材料的功率因子與溫度曲線的交點即為 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半導 體材料的效率因子與溫度曲線的交點即為欲獲得最大熱電轉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Tip和T in，其中Tip中，T代表溫度，p代表 多段P型半導體，i代表在多段P型半導體中第i個P型半導體和第（i+1)個P型半導體之 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型半導體，i代表 在多段n型半導體中第i個n型半導體和