温差发电器的优化结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于温差发电器领域，更加具体的说，涉及一种温差发电器的优化结构，具 有提升温差发电器性能的特点。
【背景技术】
[0002] 温差发电器是一种固态能量转化装置，可以直接将热能转化为电能，其工作原理 如附图1所示。温差发电器是由若干温差电偶臂（P型和N型半导体材料）串联而成，传统 的电偶臂是矩形截面形状。按照工作温度来分类，温差发电器可分为高温温差发电器(工作 温度是700°c以上)，中温温差发电器(工作温度400?700°C)和低温温差发电器(工作温度 400°C以下)。对于不同的工作环境，温差发电器会处于不同的温度梯度，热电材料的物理性 质受温度影响很大，所以有必要对电偶臂的形状进行优化，使之可以与工作的温度梯度相 匹配，以提高温差发电器的输出功率。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，设计一种温差发电器的优化结构，相比 原有的n型电偶臂对结构，所述优化结构对电偶臂形状进行了改进，可更有效的利用温度 梯度，增大热电材料的优值系数，提高热电材料的比功率，在不增加热电材料使用量的前提 下，提高温差发电器的性能。
[0004] 本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
[0005] 温差发电器的优化结构，包括由p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂 组成的n型电偶臂对结构，所述P型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂的截面为 梯形。
[0006] 所述电偶臂对结构采用串联形式、单极排列，组成温差发电器。
[0007] 所述梯形选择正常梯形，或者带有弧度的梯形，或者三段线结构的梯形。
[0008] 所述带有弧度的梯形为两个斜面(边）为圆弧的梯形。
[0009] 所述三段线结构的梯形为梯形，将两个圆弧斜面(边）近似为由三段斜面组成的斜 面，具体如下：弧形斜面依据所在同心圆的圆弧值均匀分为三段（即在圆弧上点上的两个划 分点)，自梯形的上底到下底连接圆弧上的两个划分点，将弧形斜面近似为由三段线组成的 斜面。
[0010] 在上述温差发电器的结构中，p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂选 择轴对称设置，即两边选择的梯形都是同方向设置（即上底向上和下底向下)。
[0011] 在上述温差发电器的结构中，p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂选 择反方向设置（即一侧P型半导体材料电偶臂上底向上和下底向下，另一侧n型半导体材料 电偶臂上底向下和下底向上)。
[0012] 本发明结构简单，易于加工，可以显著改善温差发电器性能。通过结构的改善，可 以在同等工况下，提升温差发电电动势。
【附图说明】
[0013] 图1是温差发电器结构的示意图。
[0014] 图2是本发明实施例采用的温差发电器结构的示意图，其中G1传统温差发电器结 构；G2梯形结构；G3小弧度梯形结构；G4大弧度梯形结构；G5倒置弧度梯形结构；G6边框 为三段线的梯形结构；G7边框为三段线的倒置梯形结构。
[0015] 图3是本发明的新型形状的温差发电器的赛贝克电势分布图，其中（1)传统温差 发电器结构；（2)梯形结构；（3)小弧度梯形结构；（4)大弧度梯形结构；（5)倒置弧度梯形 结构；（6)边框为三段线的梯形结构；（7)边框为三段线的倒置梯形结构。
[0016] 图4是本发明的新型形状的温差发电器的欧姆电势分布图，其中（1)传统温差发 电器结构；（2)梯形结构；（3)小弧度梯形结构；（4)大弧度梯形结构；（5)倒置弧度梯形结 构；（6)边框为三段线的梯形结构；（7)边框为三段线的倒置梯形结构。
[0017] 图5是本发明的新型形状的温差发电器的"电压一电流"曲线，其中（1)传统温差 发电器结构；（2)梯形结构；（3)小弧度梯形结构；（4)大弧度梯形结构；（5)倒置弧度梯形 结构；（6)边框为三段线的梯形结构；（7)边框为三段线的倒置梯形结构。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。本发明的技术方案是通过改 进传统的n型电偶臂对结构，使热电材料能够更有效的利用温差，在不增加热电材料使用 量的前提下，生成更大的电动势。
[0019] 如附图1所示温差发电器结构的示意图，一块顶部金属板和两块底端金属板，一 块底端金属板上设置P型电偶臂，另一块底部金属板上设置n型电偶臂，p型和n型电偶臂 的顶端与一块顶部金属板相连，整体上组成传统的n型电偶臂对结构，其中P型和n型电 偶臂是温差发电器的核心元件。
[0020] 在温差发电器在工作时，一端靠近热源（图1中的顶端金属板)，一端靠近冷源（图 1中的底端金属板)，由此在温差发电器两端形成一个温差。对于n型半导体电偶臂，自由电 子的能量是随温度升高而增加的，如果导体具有温度差，那么热端电子将比冷端电子获得 更多的速度和能量，即在温差的驱动下，电偶臂中的载流子--电子的浓度随温度升高而 增加，形成热端流向冷端的一股电子流，这种电荷的积累就建立了一定的电势差，这电势差 形成了一个反向电子流。当电荷积累到一定程度，反向的电子漂移流与正向的电子扩散流 相等，这就达到了稳定状态，半导体电偶臂两端即形成了稳定的电动势。P型半导体中的多 数载流子是空穴而不是电子，这种情况与上述情形类似，显然，这时的温差电动势与上述情 形相反。
[0021] 由此可见，由p，n型电偶臂组成的电偶臂对得到的总温差电动势是两者绝对值之 和。当温差发电器是由若干串联而成的P型和n型电偶臂组成，温差发电器的总电势即是 所有电偶臂对的电动势之和。
[0022] 图2给出的是传统的温差发电器结构以及通过本发明改进后的结构，并标出各个 位置的尺寸，单位mm，对应不同形状的模具可以制备出不同结构的电偶臂。对比附图1可 知，附图2给出的不同结构温差发电器，采用相同的型电偶臂对结构（即一块顶部金属板 和两块底端金属板，一块底端金属板上设置P型电偶臂，另一块底部金属板上设置n型电偶 臂，P型和n型电偶臂的顶端与一块顶部金属板相连，整体上组成传统的型电偶臂对结 构)，通过调整P型和n型电偶臂结构，实现不同的温差发电结构。改进后的电偶臂结构和 尺寸分别如图2所示，其电偶臂体积由大到小依次为：G1=G2>G3>G6=G7>G4=G5,梯形结构中 较短的一边为上底，较长的一边为下底：
[0023] (1)传统温差发电器结构G1，即传统的31型电偶臂对结构，标出顶部金属板长度 为4. 5mm，厚度0? 5mm;底部金属板长度为2mm，厚度为0? 5mm;p型和n型电偶臂对称设置， 高度为1mm，长度为2mm;从侧视图sideview来看，顶部金属板、底部金属板、p型和n型电 偶臂的宽度均为2mm;
[0024] (2)梯形结构G2,标出顶部金属板长度为4. 5mm，厚度0? 5mm;底部金属板长度为 2. 5_，厚度为0. 5mm;p型和n型电偶臂对称设置，截面选择梯形结构，上底为1. 5_，下底 为2. 5mm，高度为1mm;从侧视图sideview来看，顶部金属板、底部金属板、p型和n型电偶 臂的宽度均为2mm;
[0025] (3)小弧度梯形结构G3,标出顶部金属板长度为4. 5mm，厚度0. 5mm;底部金属板长 度为2. 5mm，厚度为0? 5mm;p型和n型电偶臂对称设置，截面选择为小弧度梯形结构，上底 为1. 5mm，下底为2. 5mm，高度为1mm，弧度半径为2. 5mm;从侧视图sideview来看，顶部金属 板、底部金属板、P型和n型电偶臂的宽度均为2mm;
[0026] (4)大弧度梯形结构G4,标出顶部金属板长度为4. 5mm，厚度0. 5mm;底部金属板长