半导体温差发电机原理及制作
基于STM32的半导体温差发电仪的研制
基于STM32的半导体温差发电仪的研制基于STM32的半导体温差发电仪的研制摘要：随着科技的不断进步，人们对绿色能源的需求越来越大。
温差发电技术作为一种新型的能量转换方式，具有很大的潜力和应用前景。
本文主要介绍了基于STM32的半导体温差发电仪的研制过程。
通过对发电原理的分析和STM32单片机的应用，实现了对温差发电效果的测量和分析，为进一步开发和优化温差发电技术提供了一定的基础。
1.引言能源与环境问题是全球面临的共同挑战，传统能源资源的消耗已经引发了能源危机和环境污染等严重问题。
因此，寻找新型的绿色能源和高效能量利用方式成为了当今的重要研究方向之一。
温差发电技术凭借其优点逐渐受到了关注。
2.温差发电原理温差发电原理是基于材料的温度差异引起的电势差来产生电能。
主要通过热电效应和半导体材料的P-N结的特性来实现。
当温差两侧的半导体材料温度不一致时，由于P-N结的材料有不同的材料特性，会产生电势差，进而实现能量的转换。
3.设计方案本次研制使用了STM32单片机作为控制和数据处理的核心。
通过传感器采集温差数据并将其输入到STM32单片机中进行数据处理和存储。
同时，利用STM32单片机的强大计算能力，对采集到的数据进行实时分析和显示。
4.系统实现本系统的主要功能包括温度采集、数据传输、数据处理和结果显示。
在硬件方面，使用了温差传感器、STM32单片机和LCD显示屏等元件。
在软件方面，编写了相应的数据采集、处理和显示程序。
5.实验分析通过实验测量了不同温差情况下的发电效果。
实验结果表明，当存在一定的温差时，系统能够有效地将温差转化为电能。
此外，还通过实验对系统的稳定性和精度进行了分析。
6.改进和展望虽然本次研制取得了一定的成果，但仍存在一些问题和不足之处。
下一步，可以进一步提高系统的温差发电效率，增加系统的稳定性和准确性。
此外，还可以探索更多的温差发电应用场景，并优化系统的设计和性能。
7.结论本文通过对基于STM32的半导体温差发电仪的研制过程的介绍和实验结果的分析，验证了该系统的可行性和有效性。
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”。
半导体制冷片温差发电原理
半导体制冷片温差发电原理半导体材料是半导体制冷片温差发电原理的核心组成部分。
常见的半导体材料包括硅、锗和硒等。
这些材料具有特殊的电导性，它们的导电性质是介于导体和绝缘体之间的，即在一定温度下，它们既能导电，也能断电。
当一个半导体材料的一端温度高于另一端时，由于温度差异，材料中的电子在移动过程中受到阻碍。
这种阻碍导致电子流向被加热的一端，从而导致电流的产生。
这种产生电流的现象被称为热电效应。
半导体制冷片的结构包括P型半导体和N型半导体。
在P型半导体中，杂质的掺入使得电子的浓度较低，电空穴的浓度较高。
而在N型半导体中，杂质的掺入使得电子的浓度较高，电空穴的浓度较低。
当两种不同类型的半导体材料连接时，形成一个电势差，这个电势差被称为PN结。
当制冷片的一端加热时，热电效应使得热电流从冷端流向热端。
换句话说，由于温度差异，热能通过电子的热电效应转化为电能。
这产生的电能可以用来驱动其他设备工作，如发电机、电池等。
而当制冷片的一端冷却时，热电效应将变为反向流动，即电流会从热端流向冷端。
半导体制冷片温差发电原理可以应用于多种场景。
例如，在蓄电池中，可以利用太阳能或人体发热产生的热能来产生电能，从而延长蓄电池的使用寿命。
此外，在一些微型设备中，如计算机芯片、传感器和手表等，可以应用半导体制冷片温差发电原理来为设备供电和散热。
总之，半导体制冷片温差发电原理是一种利用温度差异产生电能的技术。
通过半导体材料的热电效应，热能可以转化为电能，从而实现对温度差异的直接利用。
这种技术在能源节约和环境保护方面具有广阔的应用前景。
温差发电实验方案
实验方案一.【实验题目】：温差发电片的发电效率的研究二.【实验原理】：温差发电片是一种基于塞贝克效应，直接将热能转化为电能的热电转换器件1982年，德国物理学家塞贝克发现了温差电流现象，即两种不同金属构成的回路中，若两种金属结点温度不同，该回路中就会产生一个温差电动势。
温差发电原理图它由P、N两种类型不同的半导体温差电材料经电导率较高的导流片串联并将导流片固定于陶瓷片上而成。
在器件的两端建立一个温差，使器件高温端保持T h，低温端保持T c,根据塞贝克效应，将产生一个电压，若在回路中接入负载电阻则将有电流流过。
三.【实验目的】：1. 研究发电片在什么条件下的输出功率最大2. 测定温差发电片正常工作的温度3 .测定温差发电片在不同温度下能够产生的电压大小和电流大小4. 测定太阳光经过菲尼尔透镜能够产生的温度高低5. 测定PTC恒温发热片工作时产生的温度的高低6. 研究温差发电片形成温差的方法四•【实验方案】：（一）方案一：利用菲尼尔透镜聚集太阳光进行温差发电六.【实验步骤】：1. 发电片的安装发电片在安装时，首先都要用无水酒精棉，将发电片的两端面擦洗干净，储冷 板和散热板的安装表面应加工，表面平面度不大于 0.03mm ，并清洗干净，然后采用粘合的方法来安装发电片。
粘合的安装方法是用一种具有导热性能较好的粘 合剂，均匀的涂在发电片、导热板、散热板的安装面上。
粘合剂的厚度在0.03mm 将发电片的冷热面和导热板、散热板的安装面平行的挤压，并且轻轻的来回旋转 确保各接触面的良好接触，通风放置多个小时自然固化。
散热片和发电片相接触 的表面必须精细加工，装配时在接触面上必须均匀的涂抹适量的导热硅脂， 以尽 量减少热阻。
2. 发电片输出功率特性研究 塞贝克效应电势差大小可用表示为厂 =$再（旷）_、、rr式中，S 与Sc 分别为两种材料的塞贝克系数。
如果S 与Sc 不随温度的变化而变化，式（1）即可表示为:为方便输出功率的计算，可以对实验对象做以下假设：① 稳态，输出电流为稳恒电流； ② 半导体温差发电片侧面绝热；③ 冷热端之间的空气对流和辐射影响可以忽略；④ 半导体温差发电片内部导热系数不变。
温差发电一
一种简易的微型温差发电装置的设计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发电。
它是一种环保的发电方式，具有结构简单、无噪声、使用寿命长等优点。
随着不可再生资源的枯竭，美国、欧盟等发达国家更加重视温差发电技术的研究，并取得了很大的进展。
国内在这方面的研究主要在于发电器理论和热电材料的制备。
本文简单介绍温差发电技术的原理，并利用这个原理设计一种简易的太阳能驱动半导体温差发电装置。
一、温差发电的工作原理温差发电是基于塞贝克效应，把热能转化为电能。
当一对温差电偶的两个接头处于不同温度时，电偶两端就有一定电动势。
要得到较大的功率输出，通常把若干对温差电偶串(或并)联成为温差电堆。
温差发电原理如图1所示，该装置可利用温差直接产生电力。
将P 型半导体和N 型半导体在热端连接，则在冷端可得图1 温差发电结构示意图到一个电压，一个PN 连结所能产生的电动势有限，将很多个这样的PN 连结串联起来就可得到足够的电压，成为一个温差发电机。
二、太阳能驱动半导体温差发电装置和工作原理在太阳能热水器的启示下可以设计一种简易的太阳能驱动半导体温差发电装置（如图2所示）。
本装置是用凸透镜聚光的方法将光线汇聚到装置的热板，使热板温度升高，形成高温端。
冷板做成冷水散热板，形成低温端。
这样热板和冷板之间就可以形成一个温度差，在热激发作用下，N 型材料高温端电子浓度高于低温端，在这种浓度梯度的驱动下，电子就开始向低温端扩散，从而形成电动势。
这样热电材料就在高低温端间的温差下将高温端输入的热能直接转化成电能。
单独的一个PN 结，形成的电动势很小，我们将多个这样的PN 结串联起来，就可以得到足够高的电动势，做成一个简单的温差发电装置。
P N N N N冷 板 热 板 + _MP P P图2 太阳能驱动半导体温差发电装置示意图装置中，热板和冷板均采用铜材料制成。
两板的中间是N 型和P 型的半导体材料（碲化铋），这些半导体元件在电路上采用串联的形式连结。
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。
半导体温差发电原理
半导体温差发电原理半导体材料具有良好的热电特性，因此常常被用作温差发电器件的基材。
这种材料具有热电效应，即热电效应是通过热电压产生电流。
热电效应分为 Seebeck 效应、Peltier 效应和 Thomson 效应。
Seebeck 效应是指当两个不同温度的导体连接形成闭合回路时，由于温差的存在，导体之间就会形成热电势差，从而产生电流。
这个效应的原理是由于热运动引起的电子在不同温度下的能级分布不均匀，从而导致电子从高能级自由电子向低能级自由电子流动。
通常情况下，温度较高的部分被称为热端，温度较低的部分被称为冷端。
热电势差的大小与温度之差成正比。
Peltier 效应是指当一个电流通过两个不同材料之间连接的电极时，由于电流通过的位置不同，导致材料的温度分布也不同，从而产生温差。
这个效应是由于电子在通过半导体时会产生热，因此电流通过热端时会从外界吸收热量，而通过冷端时则会向外界释放热量。
这种效应可以通过改变电流的方向来改变温度差。
Thomson 效应是指当一个电流通过一个不均匀的导体时，由于材料各处的温度和电子输运不均匀性，电子在材料中存在温度梯度，从而导致电子的运动方向发生改变，使得物质内部各部分的温度发生变化。
这个效应通常较小，常常被忽略。
基于以上效应，半导体温差发电器件通常由两个不同材料的半导体片组成。
这两个半导体片之间被加入了电极，从而形成了闭合回路。
当半导体的一端暴露在高温环境中，而另一端暴露在较低温度环境中时，由于温差的存在，半导体内部会产生热电势差，从而产生电流。
这样的装置可以用于利用废热产生电能。
半导体材料的热电特性使得其成为理想的材料，可以在低温差下产生较高的电压和电流。
温差发电技术在可再生能源和节能减排领域具有广阔的应用前景。
它可以将废热转化为可用电能，提高能源利用效率。
此外，温差发电也可以应用于太阳能、地热能、生物质能等领域，使得这些可再生能源更加高效利用。
总之，半导体温差发电原理是通过利用温度差异产生热电势差，从而产生电流的技术。
DIY温差发电机：不用电的“智能”风扇
DIY温差发电机：不用电的“智能”风扇叶子疏2013-04-19 10:13我给朋友捎了一个不耗电的ECOFan风扇（译注：一种利用热能发电作为能源的风扇），这个概念相当酷，所以打算自己从头仿制一个。
一个反向安装的半导体制冷片通过温差发电给风扇供应能源。
也就是说，只要把它放在温暖的炉子上头，它就会吸收热能驱动风扇转动。
我一直想做个斯特林发动机，可惜复杂度略高。
不过这个温差发电的小风扇很简单，适合在一个周末里搞定。
温差发电机原理温差发电依靠帕耳帖效应，这种效应常用于cpu散热器和袖珍冰箱里的半导体制冷片上。
通常使用时我们给制冷片施加电流，一面就会变热而另一面变冷。
但是这个效应也可以反过来：只要制冷片两端有温差就会产生电压。
塞贝克效应和帕尔帖效应不同的金属导体（或半导体）具有不同的自由电子密度（或载流子密度），当两种不同的金属导体相互接触时，在接触面上的电子就会由高浓度向低浓度扩散。
而电子的扩散速率与接触区的温度成正比，所以只要维持两金属间的温差，就能使电子持续扩散，在两块金属的另两个端点形成稳定的电压。
由此产生的电压通常每开尔文温差只有几微伏。
这种塞贝克效应通常应用于热电偶，用来直接测量温差。
一个温差发电电路由两种赛贝克系数不同的材料接触构成(比如P型半导体和N型半导体)。
如果没有负载，电路中不会有电流但是两端会有电动势，这时候它以检测温度的热电偶方式工作。
（图片来源：）帕尔贴效应是塞贝克效应的逆效应，可以产生在两种不同金属的交界面，或者一种多相材料的不同相界间，也可以产生在非匀质导体的不同浓度梯度范围内。
当对上述三种材料通入电流时，金属1会对金属2或相1对相2，或浓度点C1与C2间产生放热或吸热反应。
简而言之，当在两种金属（或半导体）回路上施加电压通入电流后，不同金属的接触点会有一个温差。
利用塞贝克效应的热电制冷器电路图。
（图片来源：）由于半导体温差电材料的品质因数比金属的高得多，所以有实用价值的温差电材料都是用半导体材料制成的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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0.03V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。
中图是该装置的结构示意图。
制作要点如下：
1.介质导管和高低温差面的制作将两根直径30.5mm、长1000mm的铝管两端车丝，以便在使用时经活接头接人蜂窝煤热水炉的冷、热水管路，按图2剖面的形状加工后，分别和宽60mm、厚3mm、长1000mm的铝条焊在一起，焊接要充分、厚实。
铝条
与半导体温差发电模块相贴的冷热端传导面要平整光滑。
再试着将要安装的半导体温
差发电模块在冷热传导面间间隔排列（笔者一共用了10块），然后在铝板边缘按每个模块每边两个紧固螺栓钻好孔。
用绝缘板做一个尺寸合适的槽子，用空调保温套管作
保温材料，将其剪开卡套在热（水）介质导管上，再将绝缘板槽固定上即可；冷（水）介质导管则无需保温。
2.半导体温差发电模块的测试选用与装配
正规厂商提供的半导体温差模块一般都有性能指标，你可别让上面十几伏几十安的数
值弄得眉开眼笑，那是它们致冷制热的耗电指标，发电它们可低能呢。
笔者曾经测试
过同一批产品的发电性能，空载电压有的3.4V有的2.7V，空载电流有的1.6A有的
0.7A。
只有采用对温差特别敏感的，才有可能DIY出较理想的发电装置来。
具体的测
试方法是：下面用一块大功率音响拆下的铝散热块什冷源（散热），上面把电熨斗拨
到低温挡作热源，用万用表进行测试。
注意测试一块要停顿一下，让铝散热块冷下来
再测下一块，否则不准。
接下来就是对模块厚度一致性的把握，把稍薄和稍厚的拿下
不用，不然整个组件都没法装紧。
这些工作完后就可以进行温差发电模块组件的装配了，均匀地在模块双面薄薄涂上导热硅脂，逐片拧上四个紧固螺栓，模块被卡紧不能
移动就算装好。
3.发电模块组件的连接。
将温差发电装置接入冷、热水管路，机械装配完成。
接着就是对发电模块单体发电工
作状态的检测，看看有没有电压电流明显偏低的。
如果有多半是没有被紧固螺栓卡紧，需要采取措施解决，否则在并联中将成为负载，在串联中成为电流“瓶颈”。
半导体
温差发电模块正反向电阻很低。
且差别不太大，摄氏10度温差时仅几欧至十几欧，这时它难与负载匹配，发电效率极低，但随着温差的加大迅速上升至干欧级。
由于安装
面向的关系，红黑引线并不代表实际的正负，检测单体发电工作状态的同时也弄清了
正负极。
可以根据负载的情况进行并联、串联的连接。
半导体发电模块组件的总功率
并不等于单体功率的简单相加，会远小于它，尤其是并联状态。
笔者将10块单体发电模块全部串联。
小流量使用热水，开路电压为13.93V，开路电流345mA（时为夏季，冬季自来水温度将下降摄氏20～25度，温差增加摄氏15～20度，功率要比夏季大得多）：热水停用，开路电压为6.23V，开路电流7mA。
4.控制电路的制作。
该发电装置在夏季便可以直接带动9V的直流小风扇或50粒的LED灯，但只能与热水同步。
如要扩大供电范围灵活用电，需要配置控制电路和蓄电池。
笔者使用的控制电
路是依据《电子报》上一款充电控制器原理图制作的，因尊重设计者的劳动在此就不
依样画葫芦。
为了满足对此有兴趣的读者，笔者另制作了一个简易实用的控制电路，
见下图。
由三端可编程集成电路TLA31和三极管C2500组成稳压充电控制电路。
该电路适应输入电压的大范围变动，输出电压可调且稳定精度较高。
其中R2、R3为TL431参考电压Vref的调整电阻，改变它们的阻值便可调整输出电压的高低，笔者在调试时取
R2=16.81kΩ、R3=12.05kΩ，输出电压稳定在7V，并承受输入电压从9V到20V（甚至更高，未测）的大幅变化。
三极管要求耐压30V、电流大于0.5A、hFE120以上的。
D1是隔离二极管，接人电路有0.5V左右的压降，设定输出电压值时应当考虑进去。
该电路给6V铅酸蓄电池充电效率较高，接近充满即转入涓流充电，直至电流为零，不会发生过充现象。
若将输出电压调在4.2V，可快速地给3.6V的手机电池充电。
蓄电池的过放保护由逆变器承担（欠压报警），此不赘述。