半导体温差发电片发电测试

原理

    半导体温差发电片是利用塞贝克效应(Seebeck effect)又称作第一热电效应,通过温差发电,或者通过电流产生温差(即制冷片,是一种东西)的器件,多用在饮水机制冷、电子器件冷却,现在也开始用在余热回收方面。

分类

    发电片内部是串联的小节点,节点数决定了发电片的功率,常见的有127个、199个、241个等等,越多则单位温差的电压越高、电流越大,当然价格也更贵。淘宝上比较普遍的是40mm*40mm 127的发电片,55mm*55mm 241的发电片。

    另外一个重要参数是工作温度,普通制冷片热面最高不到100度,否则就烧坏了,耐高温的有200度和250度两种,选型时要注意区分。

实验

  1. 简单实验:从拼多多或淘宝上可以买到 60 块的实验台,包括加热铝板、温差片、铝散热片、usb输出和usb风扇,我买了一套,风扇转几分钟温差片就不工作了,显然是过热烧坏了;
  2. 半专业实验:换一块耐高温的温差片,散热片换一块铜的CPU散热片,输出端用万用表测量,127 的输出电压最高到1.6V,241的输出电压最高到3.1V,199+241两块串联电压最高到4.1V;
  3. 专业实验:买一个可控温的加热器(我淘的Vectech V0505,只要180块),用水冷散热或制冷面积不少于0.2平方米的散热片,这步我还没做,预计241的开路电压可以到5V。

发电计算

     根据阿里巴巴上面的数据,241在温差110度时的开路电压11.5V,电流1250mA,输出电压7V。温差介于0-110度之间的可以线性差值计算开路电压、电流,也可以通过测得的开路电压反算温差,偏差不大。

传热计算

    一维稳态导热问题。温差片的导热系数在2W/m.k,厚度在3.5-4mm,热面可以视为温度恒定,冷面接散热片,散热片的温度与【散热面积和空气对流换热系数h乘积】成反比,h取值范围5-10(室内无风取5或6),用这种方法可以计算出各种热流(W)下的发电片输出电压,并计算出所需要的散热面积。

散热量计算

    以长宽厚55mm*55mm*3.7mm的241片为例,面计A=0.003025㎡,导热系数λ=2.18W/m.k,厚度δ=0.0037m,开路电压5V所需的温差ΔT=5*110/11.5=47.82℃,则所需输入热流量=λ*A*ΔT/δ=85.23W。按照发电片发电效率3%计算,所需散热量为85.23*(1-0.03)=82.67W。

结论

    发电片要真正应用,必须解决散热问题,普通的CPU散热片不能满足50W-100W的散热量需求,需要用大功率散热片。用风扇提高对流换热系数h也可以起到冷却作用,不过发的电还不够风扇用,没有意义。

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