溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于溫差發(fā)電器領(lǐng)域，更加具體的說，涉及一種溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，具 有提升溫差發(fā)電器性能的特點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 溫差發(fā)電器是一種固態(tài)能量轉(zhuǎn)化裝置，可以直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，其工作原理 如附圖1所示。溫差發(fā)電器是由若干溫差電偶臂（P型和N型半導(dǎo)體材料）串聯(lián)而成，傳統(tǒng) 的電偶臂是矩形截面形狀。按照工作溫度來分類，溫差發(fā)電器可分為高溫溫差發(fā)電器(工作 溫度是700°c以上)，中溫溫差發(fā)電器(工作溫度400?700°C)和低溫溫差發(fā)電器(工作溫度 400°C以下)。對于不同的工作環(huán)境，溫差發(fā)電器會(huì)處于不同的溫度梯度，熱電材料的物理性 質(zhì)受溫度影響很大，所以有必要對電偶臂的形狀進(jìn)行優(yōu)化，使之可以與工作的溫度梯度相 匹配，以提高溫差發(fā)電器的輸出功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，相比 原有的n型電偶臂對結(jié)構(gòu)，所述優(yōu)化結(jié)構(gòu)對電偶臂形狀進(jìn)行了改進(jìn)，可更有效的利用溫度 梯度，增大熱電材料的優(yōu)值系數(shù)，提高熱電材料的比功率，在不增加熱電材料使用量的前提 下，提高溫差發(fā)電器的性能。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0005] 溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，包括由p型半導(dǎo)體材料電偶臂和n型半導(dǎo)體材料電偶臂 組成的n型電偶臂對結(jié)構(gòu)，所述P型半導(dǎo)體材料電偶臂和n型半導(dǎo)體材料電偶臂的截面為 梯形。
[0006] 所述電偶臂對結(jié)構(gòu)采用串聯(lián)形式、單極排列，組成溫差發(fā)電器。
[0007] 所述梯形選擇正常梯形，或者帶有弧度的梯形，或者三段線結(jié)構(gòu)的梯形。
[0008] 所述帶有弧度的梯形為兩個(gè)斜面(邊）為圓弧的梯形。
[0009] 所述三段線結(jié)構(gòu)的梯形為梯形，將兩個(gè)圓弧斜面(邊）近似為由三段斜面組成的斜 面，具體如下：弧形斜面依據(jù)所在同心圓的圓弧值均勻分為三段（即在圓弧上點(diǎn)上的兩個(gè)劃 分點(diǎn))，自梯形的上底到下底連接圓弧上的兩個(gè)劃分點(diǎn)，將弧形斜面近似為由三段線組成的 斜面。
[0010] 在上述溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)中，p型半導(dǎo)體材料電偶臂和n型半導(dǎo)體材料電偶臂選 擇軸對稱設(shè)置，即兩邊選擇的梯形都是同方向設(shè)置（即上底向上和下底向下)。
[0011] 在上述溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)中，p型半導(dǎo)體材料電偶臂和n型半導(dǎo)體材料電偶臂選 擇反方向設(shè)置（即一側(cè)P型半導(dǎo)體材料電偶臂上底向上和下底向下，另一側(cè)n型半導(dǎo)體材料 電偶臂上底向下和下底向上)。
[0012] 本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，可以顯著改善溫差發(fā)電器性能。通過結(jié)構(gòu)的改善，可 以在同等工況下，提升溫差發(fā)電電動(dòng)勢。
【附圖說明】
[0013] 圖1是溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0014] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例采用的溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)的示意圖，其中G1傳統(tǒng)溫差發(fā)電器結(jié) 構(gòu)；G2梯形結(jié)構(gòu)；G3小弧度梯形結(jié)構(gòu)；G4大弧度梯形結(jié)構(gòu)；G5倒置弧度梯形結(jié)構(gòu)；G6邊框 為三段線的梯形結(jié)構(gòu)；G7邊框?yàn)槿尉€的倒置梯形結(jié)構(gòu)。
[0015] 圖3是本發(fā)明的新型形狀的溫差發(fā)電器的賽貝克電勢分布圖，其中（1)傳統(tǒng)溫差 發(fā)電器結(jié)構(gòu)；（2)梯形結(jié)構(gòu)；（3)小弧度梯形結(jié)構(gòu)；（4)大弧度梯形結(jié)構(gòu)；（5)倒置弧度梯形 結(jié)構(gòu)；（6)邊框?yàn)槿尉€的梯形結(jié)構(gòu)；（7)邊框?yàn)槿尉€的倒置梯形結(jié)構(gòu)。
[0016] 圖4是本發(fā)明的新型形狀的溫差發(fā)電器的歐姆電勢分布圖，其中（1)傳統(tǒng)溫差發(fā) 電器結(jié)構(gòu)；（2)梯形結(jié)構(gòu)；（3)小弧度梯形結(jié)構(gòu)；（4)大弧度梯形結(jié)構(gòu)；（5)倒置弧度梯形結(jié) 構(gòu)；（6)邊框?yàn)槿尉€的梯形結(jié)構(gòu)；（7)邊框?yàn)槿尉€的倒置梯形結(jié)構(gòu)。
[0017] 圖5是本發(fā)明的新型形狀的溫差發(fā)電器的"電壓一電流"曲線，其中（1)傳統(tǒng)溫差 發(fā)電器結(jié)構(gòu)；（2)梯形結(jié)構(gòu)；（3)小弧度梯形結(jié)構(gòu)；（4)大弧度梯形結(jié)構(gòu)；（5)倒置弧度梯形 結(jié)構(gòu)；（6)邊框?yàn)槿尉€的梯形結(jié)構(gòu)；（7)邊框?yàn)槿尉€的倒置梯形結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明的技術(shù)方案是通過改 進(jìn)傳統(tǒng)的n型電偶臂對結(jié)構(gòu)，使熱電材料能夠更有效的利用溫差，在不增加熱電材料使用 量的前提下，生成更大的電動(dòng)勢。
[0019] 如附圖1所示溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)的示意圖，一塊頂部金屬板和兩塊底端金屬板，一 塊底端金屬板上設(shè)置P型電偶臂，另一塊底部金屬板上設(shè)置n型電偶臂，p型和n型電偶臂 的頂端與一塊頂部金屬板相連，整體上組成傳統(tǒng)的n型電偶臂對結(jié)構(gòu)，其中P型和n型電 偶臂是溫差發(fā)電器的核心元件。
[0020] 在溫差發(fā)電器在工作時(shí)，一端靠近熱源（圖1中的頂端金屬板)，一端靠近冷源（圖 1中的底端金屬板)，由此在溫差發(fā)電器兩端形成一個(gè)溫差。對于n型半導(dǎo)體電偶臂，自由電 子的能量是隨溫度升高而增加的，如果導(dǎo)體具有溫度差，那么熱端電子將比冷端電子獲得 更多的速度和能量，即在溫差的驅(qū)動(dòng)下，電偶臂中的載流子--電子的濃度隨溫度升高而 增加，形成熱端流向冷端的一股電子流，這種電荷的積累就建立了一定的電勢差，這電勢差 形成了一個(gè)反向電子流。當(dāng)電荷積累到一定程度，反向的電子漂移流與正向的電子擴(kuò)散流 相等，這就達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，半導(dǎo)體電偶臂兩端即形成了穩(wěn)定的電動(dòng)勢。P型半導(dǎo)體中的多 數(shù)載流子是空穴而不是電子，這種情況與上述情形類似，顯然，這時(shí)的溫差電動(dòng)勢與上述情 形相反。
[0021] 由此可見，由p，n型電偶臂組成的電偶臂對得到的總溫差電動(dòng)勢是兩者絕對值之 和。當(dāng)溫差發(fā)電器是由若干串聯(lián)而成的P型和n型電偶臂組成，溫差發(fā)電器的總電勢即是 所有電偶臂對的電動(dòng)勢之和。
[0022] 圖2給出的是傳統(tǒng)的溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)以及通過本發(fā)明改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，并標(biāo)出各個(gè) 位置的尺寸，單位mm，對應(yīng)不同形狀的模具可以制備出不同結(jié)構(gòu)的電偶臂。對比附圖1可 知，附圖2給出的不同結(jié)構(gòu)溫差發(fā)電器，采用相同的型電偶臂對結(jié)構(gòu)（即一塊頂部金屬板 和兩塊底端金屬板，一塊底端金屬板上設(shè)置P型電偶臂，另一塊底部金屬板上設(shè)置n型電偶 臂，P型和n型電偶臂的頂端與一塊頂部金屬板相連，整體上組成傳統(tǒng)的型電偶臂對結(jié) 構(gòu))，通過調(diào)整P型和n型電偶臂結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同的溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后的電偶臂結(jié)構(gòu)和 尺寸分別如圖2所示，其電偶臂體積由大到小依次為：G1=G2>G3>G6=G7>G4=G5,梯形結(jié)構(gòu)中 較短的一邊為上底，較長的一邊為下底：
[0023] (1)傳統(tǒng)溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)G1，即傳統(tǒng)的31型電偶臂對結(jié)構(gòu)，標(biāo)出頂部金屬板長度 為4. 5mm，厚度0? 5mm;底部金屬板長度為2mm，厚度為0? 5mm;p型和n型電偶臂對稱設(shè)置， 高度為1mm，長度為2mm;從側(cè)視圖sideview來看，頂部金屬板、底部金屬板、p型和n型電 偶臂的寬度均為2mm;
[0024] (2)梯形結(jié)構(gòu)G2,標(biāo)出頂部金屬板長度為4. 5mm，厚度0? 5mm;底部金屬板長度為 2. 5_，厚度為0. 5mm;p型和n型電偶臂對稱設(shè)置，截面選擇梯形結(jié)構(gòu)，上底為1. 5_，下底 為2. 5mm，高度為1mm;從側(cè)視圖sideview來看，頂部金屬板、底部金屬板、p型和n型電偶 臂的寬度均為2mm;
[0025] (3)小弧度梯形結(jié)構(gòu)G3,標(biāo)出頂部金屬板長度為4. 5mm，厚度0. 5mm;底部金屬板長 度為2. 5mm，厚度為0? 5mm;p型和n型電偶臂對稱設(shè)置，截面選擇為小弧度梯形結(jié)構(gòu)，上底 為1. 5mm，下底為2. 5mm，高度為1mm，弧度半徑為2. 5mm;從側(cè)視圖sideview來看，頂部金屬 板、底部金屬板、P型和n型電偶臂的寬度均為2mm;
[0026] (4)大弧度梯形結(jié)構(gòu)G4,標(biāo)出頂部金屬板長度為4. 5mm，厚度0. 5mm;底部金屬板長