半导体温差发电技术
新型半导体温差发电系统的研究
９ 科技咨询导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｈｅｒａｌｄ高 新 技 术２００７ ＮＯ．２６Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｈｅｒａｌｄ１ 引言１８２３年，德国人Ｔｈｏｍａｓ Ｓｅｅｂｅｃｋ 首次发现在两种不同金属构成的回路中，如果两个接头处的温度不同，其周围就会出现磁场。
进一步实验之后，发现了回路中有电动势存在，这种现象后来被称为Ｓｅｅｂｅｃｋ效应或温差电效应。
温差发电技术研究始于２０世纪４０年代，于２０世纪６０年代达到高峰，并成功地在航天器上实现了长时间发电。
当时美国能源部的空间与防御动力系统办公室给出鉴定称，＂温差发电已被证明为性能可靠、维修少、可在极端恶劣环境下长时间工作的动力技术＂。
温差发电技术利用热－电转换材料直接将热能转化为电能，是一种全固态能量转换方式，无需化学反应或流体介质，因而在发电过程中具有无噪音、无磨损、无介质泄漏、体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长等优点，在军用电池、远程空间探测器、远距离通讯与导航、微电子等特殊应用领域具有无可替代的地位。
它甚至能利用人的体热和周围的环境温度，为各种便携式设备供电。
在２１世纪全球环境和能源条件恶化、燃料电池又难以进入实际应用的情况下，温差发电技术更成为引人注目的研究方向［１］。
此外，体积小、重量轻、无振动、无噪音的优点还使半导体温差发电机非常适合用作为小于５Ｗ的小功率电源，用于各种无人监视的传感器、微小短程通讯装置以及医学和生理学研究仪器－－目前，相关产品已进入实用阶段。
近几年来，温差发电机不仅在军事和高科技方面，而且在工业和民用方面也表现出了良好的应用前景。
由于原料费用几近为零、加上运行成本的低廉，温差发电完全可以实现与现存发电方式的商业竞争。
看到这一前景，日本、美国近几年来开展了一系列低品位热和废热、余热等资源的利用项目：比如说利用热源遍及化工厂、钢铁工业、水泥工业、造纸业、石油冶炼业等行业产生的工业余热，利用富含有机可燃物、“资源效益”极为可观的垃圾焚烧热，利用在汽车尾气、冷却水、润滑油和热辐射中散失的汽车余热，利用太阳的辐射热、海洋的温差热、地热等自然热，以及利用其它分散热源例如沐浴剩余水的余热、家用取暖炉的散热等等都可以作为热源利用温差进行发电，真正做到了“变废为宝”。
《2024年高温温差发电半导体焊层应力场分析及疲劳寿命研究》范文
《高温温差发电半导体焊层应力场分析及疲劳寿命研究》篇一一、引言随着能源危机和环境问题的日益突出，高温温差发电技术因其高效、环保的特性受到了广泛关注。
在高温温差发电技术中，半导体焊层作为关键部件之一，其性能直接影响着整个系统的稳定性和使用寿命。
因此，对高温温差发电半导体焊层应力场分析和疲劳寿命研究具有重要意义。
本文将就此问题进行深入研究和分析。
二、半导体焊层概述高温温差发电半导体焊层是由特殊的焊接材料将热电转换元件与基体结构焊接在一起而形成的结构。
由于热电转换元件与基体材料之间存在热膨胀系数差异，导致在高温和温差环境下，焊层内部会产生应力。
因此，了解焊层的应力场分布及其影响因素，对于提高其使用寿命具有重要意义。
三、应力场分析（一）分析方法对于高温温差发电半导体焊层的应力场分析，可以采用有限元分析法进行数值模拟。
首先，根据实际结构和材料参数建立三维模型；然后，在给定的温度变化和边界条件下进行有限元分析，得到焊层内部的应力分布情况。
（二）影响因素焊层内部的应力分布受到多种因素的影响，包括热电转换元件与基体材料的热膨胀系数差异、焊接工艺、焊层厚度等。
其中，热膨胀系数差异是导致焊层内部产生应力的主要原因之一。
此外，焊接工艺和焊层厚度也会对焊层的应力分布产生影响。
四、疲劳寿命研究（一）研究方法对于半导体焊层的疲劳寿命研究，可以采用加速老化试验和数值模拟相结合的方法。
通过加速老化试验，可以模拟焊层在实际工作环境中的使用情况，从而得到其使用寿命的估算值。
同时，结合有限元分析，可以得到焊层在不同使用阶段的应力分布情况，为评估其疲劳寿命提供依据。
（二）影响因素及提升措施焊层的疲劳寿命受到多种因素的影响，包括温度变化范围、温度变化速率、热膨胀系数差异等。
为了提高焊层的疲劳寿命，可以采取以下措施：优化焊接工艺，减小热膨胀系数差异；提高焊层材料的抗疲劳性能；采用多层焊接结构等。
这些措施可以有效降低焊层内部的应力水平，提高其使用寿命。
温差发电技术及其一些应用
温差发电技术及其一些应用来源：能源技术2009-5-121 温差发电的原理温差发电是利用两种连接起来的导电体或者半导体的塞贝克效应（Seebeck Effect），将热能转换成电能的一种技术。
由两种不同类型的半导体构成的回路如图1，当装置的一端处于高温状态另一端置于低温状态下，就会在回路中形成电动势：ε = αs （T1-T2）（1）式中：T1为低温度端温度，K；T2为高温端温度，K；αs为所用热电转换材料的塞贝克系数，V/K。
图1 温差发电原理图（点击图片放大）在应用时多个PN结串联起来，构成一个热电转换模块（见图2），目前已有产品面市。
例如图3为Hi-z公司生产的热电转换模块系列，该模块系列能在-20℃到300℃的温度范围内有效地进行热电转换，输出功率为2.5~19W，负载电压为1.65~3.30V。
图2 热电模块结构示意图（点击图片放大）图3 Hi-z生产的热电转换模块系列（点击图片放大）2 热电材料的研究进展热电转换模块转换的效率很大程度上决定于其组成材料的性能，温差发电的电动势不但取决于材料的塞贝克系数α，而且和高低温端间的温差△T和有关，s从而与材料的导热有关，另外输出电流还与材料的导电率有关，所以常用热电转换材料的优值Z评价材料的热电性能：Z=（αs）2σ/λ （2）式中：αs为塞贝克系数，σ为电导率，λ为热导率。
Z的量纲为K-1，研究分析中优值又常采用优值Z和工作温度T的无量纲ZT 表征。
提高材料的优值是研究开发高效热电转换材料的主要方向，通常有以下几种途径：①选择最佳载流子度；②提高载流子迁移率与晶格热导率的比；③改变晶体取向；④改变颗粒尺度使颗粒间既能导电同时声子散射又比较显著，促使颗粒定向分布；⑤选择最佳的工作温度及材料的禁带宽度。
已有的研究资料表明，在室温下热电转换材料的优值只要能大于3，热电效率就可以达到令人较满意的水平并可以推广应用。
目前热电材料的研究主要集中在以下几个方面。
温差能发电原理
温差能发电原理
温差能发电的原理是基于热电效应，热电效应是指当两种不同金属（或半导体）的接合处受到温度差异时，将会产生电动势，这个效应被称为塞贝克效应，并且是由于电子在两种金属之间的热运动差异而产生的，温差发电利用这种效应将温度差异转换成电能。
温差能发电原理如下：首先，将两种不同金属（或半导体）连接在一起，这被称为热电偶。
然后，将热电偶的一端暴露在高温环境中，将另一端暴露在低温环境中。
由于高温和低温之间存在明显的温度差异，因此在两个金属之间产生了一个电动势，即温差发电效应。
如果将热电偶的两端连接到一个电路中，就可以将电动势转化为电能，从而实现温差发电。
温差发电的原理是基于能带理论，其关键在于不同材料之间的电子能带结构。
材料的电子能带决定了其导电性能，能够产生热电效应的材料必须具有不同的电子能带结构。
在温度差异下，电子将从高温一侧向低温一侧运动，产生一个电动势。
在实际应用中，为了提高温差发电的效率，通常采用多个热电偶组成的热电堆来实现。
热电堆由多个热电偶串联组成，形成一个电压叠加的结构，可以将电动势累加起来，从而提高输出电压和功率。
此外，还可以采用一些技术手段，如热对流控制、热辐射控制等来提高温差效率。
总之，温差发电是一种将温度差异转换为电能的技术，其原理基于热电效应。
通过使用不同材料之间的热电偶组成的热电堆，可以将电动势累加起来，提高输出电压和功率。
虽然温差发电的效率较低，但其具有长寿命、可靠性高等优点，在某些特定的应用领域有一定的发展前景。
温差发电半导体
温差发电半导体
摘要：
1.温差发电半导体的概念和原理
2.温差发电半导体的应用领域
3.我国在温差发电半导体技术方面的研究进展
4.我国在温差发电半导体产业方面的挑战与机遇
5.结论与展望
正文：
温差发电半导体是一种能够将温差转换为电能的材料，其原理基于热电效应。
当两种不同材料的接触处存在温差时，会产生一个电势差，从而产生电流。
温差发电半导体材料主要包括碲化铋、碲化镉等。
温差发电半导体在多个领域具有广泛的应用前景。
首先，它可以用于制作热电发电机，将环境中的温差转换为电能，为小型电子设备、传感器等供电。
其次，温差发电半导体还可应用于汽车尾气废热回收系统、工业余热回收等领域，有助于提高能源利用效率。
此外，航空航天、医疗设备、通信基站等也对温差发电半导体有较高的需求。
我国在温差发电半导体技术方面取得了一定的研究成果。
我国科研团队已经成功研发了高性能碲化铋基温差发电半导体材料，并已申请了多项专利。
此外，我国还积极开展温差发电半导体器件的研究，以提高器件的性能和稳定性。
然而，我国在温差发电半导体产业方面仍面临一些挑战。
首先，高质量温
差发电半导体材料的制备技术和设备主要掌握在国外企业手中，对我国的技术引进和产业发展造成一定的制约。
其次，我国在温差发电半导体器件的设计、制造和应用方面尚处于初级阶段，需要进一步加强研发投入和人才培养。
总之，温差发电半导体技术具有广泛的应用前景和巨大的市场潜力。
半导体温差发电转换效率研究
- 108 -第4期2021年2月No.4February，20210 引言半导体温差发电利用了塞贝克效应（Seebeck Effect ）直接将热能转换为电能，在发电时无须先将热能转化为机械能再由机械能转化为电能的间接转换过程，整个发电装置没有活动的机械部分，只要半导体PN 结两端存在温度差就能输出电能，具有无噪音、维护成本低、长寿命等优点，逐渐受到人们的重视[1-5]。
通过选择合适的半导体材料种类，半导体温差发电单元可以在很宽的温度范围内（300K~ 1 400K ）实现热能到电能的直接转换。
但由不同半导体材料和装置结构组成的温差发电组件，在相同的温差场条件下，发电组件的输出功率、输出电压、输出电流、稳定性等组件性能参数都存在着较大差异。
因此，优化半导体温差发电组件，提高温差发电组件热电转换效率，探究如何发挥热电组件性能有着重要的现实意义[3-5]。
本文将以半导体温差发电原理为基础，从理论上推导温差发电效率公式并分析其影响因素，最后进行实验探究与验证。
1 半导体温差发电原理塞贝克效应的实质在于两种金属或半导体材料接触时产生了接触电势差，半导体的接触电势差远大于金属导体，因此温差发电的电动势单元一般采用半导体材料制成。
如图1所示，半导体单元从温度为高温热源处吸热，其中部分热量转换为电能向负载输出，另一部分热量向温度为低温热源排放。
在此过程中产生的温差电动势可由（1）式确定。
∆U =αp ,n (T 1－T 2) （1）其中αp ,n 为由半导体材料性质所决定的相对塞贝克系数。
高温端的吸热和低温端的放热可由（2）式描述[3]。
' ' 21,1022,201212p n p nQ IT λT I r Q IT λT I r°°®°°¯αα （2）基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目；项目名称：影响半导体温差发电输出特性的关键因素研究；项目编号：201910649024。
智能半导体温差发电装置设计与应用研究
智能半导体温差发电装置设计与应用研究文章利用温差发电技术，通过温差采集和能量转化，将温差信号实时转化为电信号并且进行电能的稳定输出和储存，进而设计一个成本低廉、性能可靠、使用方便的多功能温差绿色电源。
该电源不仅携带方便，可以适应多种场合使用，而且由于其电能产生的特殊性，还可以在一些特定的环境中应用。
标签：智能半导体；温差发电装置；设计；应用引言电力是各领域运行以及各电子产品功能实现所需的重要能源，就目前的情况看，火力发电属于主要发电方法，会造成一定的能源浪费。
智能半导体温差发电装置的设计，能够有效解决上述问题，对可持续发展战略的落实具有重要价值，同时也是发电技术发展的主要方向。
1 智能半导体温差发电原理多功能绿色温差电源是利用温差产生电能的新型便携式绿色能源发电装置。
它分为吸热、吸冷两面，当有溫差产生时，就能实现电能的输出。
它可独立使用，也可嵌入有温差的产品上，同时还能推广应用到国民经济的诸多领域，如道路交通指示系统，夜景工程，广告装潢等。
2 智能半导体温差发电装置的设计2.1 智能半导体温差发电装置功能（1）温度采集。
温度采集是智能半导体温差发电装置的主要功能之一，同时也是发电功能实现的第一步。
装置的吸热与吸冷两面，可分别吸收不同的温度，实现温度的采集。
采集后的温度，可被自动计算出温差，并显示出来。
（2）能量转换。
能量转换是智能半导体温差发电装置实现发电的第二步。
在采集并计算出温差之后，装置能够将其转换为电能，进而使其能够供我们日常使用。
（3）电能传输。
温差所转换成的电能，能够实现传输，以为使用者对能量的应用提供途径。
电能传输过程是将装置与使用者相连接的关键，一旦传输出现问题，温差所转换的电能则无法被利用。
（4）储存电能。
为避免无法立即被利用的电力被浪费，该装置还能够实现储存电能的功能。
如温差所产生的电能在使用过后存在剩余，可以被存储在装置之中，在使用者需要时，可以随时加以使用，极大的提高了便利性。
半导体温差发电机原理及制作
编辑：文章来源：网络我们无意侵犯您的权益,如有侵犯请[联系我们]半导体温差发电机原理及制作笔者以蜂窝煤热水炉的进出水为温差源，制作了一台半导体温差发电装置，原理框图见上图。
半导体温差发电是一种将温差能（热能）转化成电能的固体状态能量转化方式。
发电装置无化学反应和机械运动，无噪声、无污染、无磨损、寿命长。
它的核心部件是半导体温差电偶模块（因多用于制冷，亦称半导体致冷片，电子元器件市场大多有售）。
将它的两根引出线连接到万用表的电压或电流挡，用体温传导到它的一个面，使其两面形成温差，指针就会偏转，实实在在的温差发电就展现在你的面前。
但是，目前半导体温差电偶模块热电转化效率低，近年有研究表明最高不到5％，这是半导体温差发电实用化的最大障碍。
制作半导体温差发电装置的第一件事是选择温差源。
供一个家庭利用的温差源十分有限，可说说也挺多。
一是炊事温差，烧天然气、石油液化气、煤炭、沼气等等产生高温；二是空调、暖气温差；三是地温温差，庭院井水、溪水与地表的温差；四是太阳能温差，用太阳能热水器、太阳灶获得热量；五是冬季冰雪与室内、地下的温差，等等。
但是，利用起来必须满足方便获得、经济、持续和有足够的能量的要求。
实验表明，对目前通常的半导体温差发电模块每提供摄氏1度的温差可相应产生约电压，可见温差小就没有实际利用价值。
本人之所以选择蜂窝煤热水炉的进出水为温差源，是因为炉火昼夜不熄，炉灶热水与进水（自来水）的温差大，夏季摄氏60多度，冬季可达摄氏90多度，且比较稳定。
同时利用自来水的压力解决了能量无耗输送的难题，只要家庭成员洗菜、洗碗、洗手、洗脸、洗澡等一用热水，就能获得理想的温差。
特别需要强调的是，半导体温差电偶模块是良好的导热体，如果两面没有高低温两种能量的输送，温差就不能维持，保温做得再好，模块两面的温度接近也是枉然。
这是许多失败案例的根本原因。
本发电装置用的是“过路水”，能耗视同为零，同时对热水的降温也不十分明显。
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半导体温差发电技术
半导体温差发电技术，它的工作原理是在两块不同性质的半导体两端设置一个温差，于是在半导体两端就产生了直流电压。
温差半导体发电有着无噪音、寿命长、性能稳定等特点。
可在零下40摄氏度的寒冷环境中迅速启动，因此在实际中得到越来越广泛的应用。
温差发电是一种新型的发电方式，利用西伯克效应将热能直接转换为电能。
以半导体温差发电模块制造的半导体发电机,只要有温差存在即能发电。
工作时无噪音、无污染，使用寿命超过十年，免维护，因而是一种应用广泛的便携电源。
半导体温差发电机,目前主要用于油田、野外、军事等领域。
该项目的另一市场化领域在于将发电装置用于太阳能、地热、工业废能等的利用，使热能直接转化为电能。
另外，半导体发电模块体积小，重量轻，便于携带，可广泛用于小家电制造、仪器仪表、玩具及旅游业。
随着保护环境、节约能源的呼声越来越高、利用温差发电可能是发展大方向、从小型器件到大型电站,将越来越多地把实验室理论应用到实践中去。
目前国内市场上，最新开发的半导体温差发电组件,规格40×40×4毫米，其内在0.09欧姆以下，其内阻小、耐高温、长寿命。
完
全符合开发温差发电机的需要。
若能使组件两面保持温差摄氏60度，则可发出电压3.5V，电流3A--5A，温差减小电压电流也会随之减小。
使用时注意，温差发电组件的两面与金属散热片之间，最好涂上一层导热硅脂，以利于散热，减小热阻。
另外注意，温差发电组件受热要均匀，不能直接用明火烤发电组件。
要使发电组件平稳贴在高温物体表面，高温热面温度不能超过180度。
其冷面必须加装金属散热片，并采取风冷、水冷、油冷或其它冷却措施，确保能够把热面传过来的热量即时带走，以保持发电组件两面的温差，提高发电效果。