一种分段式温差发电器结构设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于温差发电领域，是一种分段式温差发电器的结构设计方法（用于计算 分段式温差发电器不同半导体材料的分段比例），该设计方法能够大幅提升现有温差发电 器的输出功率以及热电转换效率。
【背景技术】
[0002] 温差发电器（TEG)是一种基于塞贝克效应，直接将热能转换为电能的装置，具有 设计紧凑，可靠性高，零排放等优点，但由于其热电转换效率低（一般不高于5% )，其发展 受到了很大的限制。导致其热电转换效率低的主要原因是当前用于制造TEG的半导体材料 的最佳工作温度范围大都很小。而在实际应用中，为了更加充分地利用周围环境热能，人们 更倾向于增大TEG冷热端温差，目前几乎没有一种半导体材料能够在足够大的温度范围内 保持较高的热电转换效率。为解决此问题，有学者提出了分段式的温差发电器结构设计方 法，即采用多种半导体材料相连接，使其沿着传热方向，不同半导体材料均可在其各自不同 的最佳温度范围内工作。实践证明分段式的结构设计可以显著提升TEG的输出功率及热电 转换效率。但是在分段式的结构设计之中，分段比例的计算这个直接关系到分段式温差发 电器性能好坏的重要因素，还没有学者对此进行专门的研宄。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种分段式温差发电器的结构设计方法。分段式温差发电 器由多种半导体材料以一定的比例组合而成，使所有半导体材料都能在其最佳温度范围内 工作，从而大幅提升温差发电器的输出功率及热电转换效率。
[0004] 本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
[0005] 本发明的设计方法是基于"不同半导体材料之间存在一个最佳的接触面温度"的 假设，也就是说：对于两种不同的半导体材料，其中一种半导体材料的性能在高于某个温度 值时优于另外一种材料，而另一种材料恰恰相反。在这种情况下，进行分段式温差发电器结 构设计时，使前一种半导体材料在高温区工作，后一种材料在低温区工作，而两种半导体材 料的接触面温度值等于该温度值，这种结构设计能够最大限度提升分段式温差发电器的性 能。本发明的设计方法针对具有多级分段式结构单元的温差发电器进行，以二级分段式结 构为例，如附图1所示，这种温差发电器由导电连接层1、多段P型半导体（附图1为两段， 即已型半导体2、P2型半导体3)、多段n型半导体（附图1为两段，即N:型半导体4、N2型 半导体5)构成。其中多段p型半导体相连接（附图1中？:型半导体2和P2型半导体3相 连接），多段n型半导体相连接（附图1中&型半导体4和\型半导体5相连接），p型半 导体和n型半导体平行排列，导电连接层1用于实现p型半导体和n型半导体之间的电连 接。
[0006] 一种分段式温差发电器结构设计方法，按照下述步骤进行：
[0007] 第一步，确定温差发电器所用材料的物性参数、几何参数和所处的工作环境：
[0008] (1)多段p型半导体中每个p型半导体的物性参数，第i个p型半导体材料Pi (i =1,2,3,……，N)的塞贝克系数api、电导率〇pi、导热系数A pi，自热源至冷源方向依次 为p型半导体材料Pl，p型半导体材料P2，p型半导体材料P3,……，p型半导体材料Pn，且 每个P型半导体材料的横截面积一致；
[0009] (2)多段n型半导体中每个n型半导体的物性参数，第i个n型半导体材料Ni (i =1,2,3,……，M)的塞贝克系数a ni、电导率Oni、导热系数Ani，自热源至冷源方向依次 为n型半导体材料N1, n型半导体材料N2，n型半导体材料N3, ......，n型半导体材料NM，且 每个n型半导体材料的横截面积一致；
[0010] ⑶导电连接层的导热系数入c;
[0011] (4)温差发电器热源温度Th、冷源温度T。，温差发电器顶端和热源之间的恒定传热 系数Ii 1、温差发电器底端和冷源之间的恒定传热系数h2;
[0012] (5)连接半导体材料Pn的导电连接层与冷源的接触面积A 3p、连接半导体材料Nm的 导电连接层与冷源的接触面积A3n、温差发电器顶端导电连接层与热源的接触面积A 1;
[0013] (6)组成多段p型半导体的每个p型半导体材料的横截面积一致且均为横截面积 A2p、组成多段n型半导体的每个n型半导体材料的横截面积一致且均为横截面积A 2n;
[0014] (7)多段p型半导体和多段n型半导体的总体长度相等且均为1、导电连接层的厚 度Sc。
[0015] 目前，品质因数（Z = a2〇/A)和其分子（a2〇，也称为功率因子），是评价热电 材料综合性能的两个重要参数，但是这两个参数都是在"TEG单元冷热端面的温度差（A T) 是恒定的（恒壁温边界条件）"这个假设下得到的，考虑到TEG和外界环境之间的热阻的影 响，这种假设条件事实上是不符合实际的。于是在本发明技术方案中，使用两个新参数：功 率因子（ZJ) p、效率因子（ZJ)e进行评价。
[0016] 以p型或n型半导体材料为例，进行新参数的推导，本推导过程意在得到评定半 导体材料综合性能的参数，不需在分段条件下进行，P型或n型半导体材料两端的温度差 (A T)的表达式为：
[0019] 可以看出TEG与外部环境（热源和冷源）之间的热阻的影响被考虑在内。如果它 们为零，方程（1)的表达式为：AT = Th-K "恒壁温"条件）。塞贝克电势（Vs)和TEG单 元的内阻（r)分别为：
[0020]Vs=(ap-an)AT (2)
[0021]
[0022] 定义M作为外部负载电阻与TEG内阻的比值（M = IVr)，TEG单元的输出功率可 以根据方程（1)-(3)导出：
[0028] 正如方程（1)-(6)所示，由于重新定义温度差（AT)，我们得到了新的输出功率和 热电转化效率的表达式。
[0029] 正如方程（4)-(6)所示，对于一个确定的TEG单元，热源和冷源的温度（Th、T。)，几 何参数（1、A和A s)，以及变量M都是设计或工作参数，并且独立于热电材料本身的物性参 数。假设P型和n型材料具有相同的物性参数（即C lp=-a n，〇p= 〇 n，Ap=人n)，可以 推导出和TEG的输出功率（方程（4))、热电转化效率（方程(6))有关的两个新参数，功率 因子和效率因子：
[0033] 其中Th、T。分别表示热源温度、冷源温度，h p h2分别表示温差发电器顶端与热源 之间的恒定传热系数、温差发电器底端与冷源之间的恒定传热系数，a p、〇 p、\分别表示 P型半导体的塞贝克系数、电导率、导热系数，an、〇n、\"分别表示 n型半导体的塞贝克系 数、电导率、导热系数，a、〇、X分别表示任意半导体的塞贝克系数、电导率、导热系数，1、 八、4分别表示半导体的长度、半导体的横截面积、TEG单元的顶端与热源接触面积或底端与 冷源接触面积，R p、Rn、Rh、R。分别表示P型半导体的总热阻、n型半导体的总热阻、TEG与热 源之间的传热热阻、TEG与冷源之间的传热热阻。
[0034] 从这两个新参数表达式中不难发现，品质因数（Z = a 2〇 / X )和功率因子（a 2 〇 ) 只是两个新参数在恒壁温边界条件下（此时m = 0)的特例，这说明两个新参数实际上分别 是原功率因子和品质因数的修正。从附图3可以看出，由具有相同品质因数的半导体材料 组成的TEG在恒壁温边界条件下（实心图）最大热电转换效率基本相同，在恒对流边界条 件下，其值则相差很大，这说明品质因数只适用于恒壁温边界条件；从附图4可以看出，在 恒对流边界条件下，由具有相同功率因子（或效率因子）的半导体材料组成的TEG，其最大 输出功率（或最大热电转换效率）则基本相同。考虑到实际情况，本设计方法采用新推导 出的功率因子和效率因子确定接触面温度值。
[0035] 步骤二，基于上述功率因子和效率因子，绘制多段p型半导体或者多段n型半导体 中自上而下的相邻的两个半导体材料的功率因子与温度的曲线图以及效率因子与温度的 曲线图，在功率因子与温度的曲线图中两个半导体材料的功率因子与温度曲线的交点即为 欲获得最大功率利用功率因子的最佳接触面温度，在效率因子与温度的曲线图中两个半导 体材料的效率因子与温度曲线的交点即为欲获得最大热电转换效率利用效率因子的最佳 接触面温度；欲获得最大功率利用功率因子的最佳接触面温度以及欲获得最大热电转换效 率利用效率因子的最佳接触面温度，均可被称为最佳接触面温度。
[0036] 为方便表述，将最佳接触面温度，定义为Tip和T in，其中Tip中，T代表温度，p代表 多段P型半导体，i代表在多段P型半导体中第i个P型半导体和第（i+1)个P型半导体之 间的接触面温度，i = 1，2, 3，……，N-1 ;Tin中，T代表温度，n代表多段n型半导体，i代表 在多段n型半导体中第i个n型半导体和