温差发电器的优化结构制造技术

本发明专利技术公开了温差发电器的优化结构，包括由p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂组成的π型电偶臂对结构，所述p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂的截面为梯形。本发明专利技术的技术方案结构简单，易于加工，可以显著改善温差发电器性能。通过结构的改善，可以在同等工况下，提升温差发电电动势。

【技术实现步骤摘要】
温差发电器的优化结构
本专利技术属于温差发电器领域，更加具体的说，涉及一种温差发电器的优化结构，具有提升温差发电器性能的特点。
技术介绍
温差发电器是一种固态能量转化装置，可以直接将热能转化为电能，其工作原理如附图1所示。温差发电器是由若干温差电偶臂（P型和N型半导体材料）串联而成，传统的电偶臂是矩形截面形状。按照工作温度来分类，温差发电器可分为高温温差发电器（工作温度是700℃以上），中温温差发电器（工作温度400～700℃）和低温温差发电器（工作温度400℃以下）。对于不同的工作环境，温差发电器会处于不同的温度梯度，热电材料的物理性质受温度影响很大，所以有必要对电偶臂的形状进行优化，使之可以与工作的温度梯度相匹配，以提高温差发电器的输出功率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，设计一种温差发电器的优化结构，相比原有的π型电偶臂对结构，所述优化结构对电偶臂形状进行了改进，可更有效的利用温度梯度，增大热电材料的优值系数，提高热电材料的比功率，在不增加热电材料使用量的前提下，提高温差发电器的性能。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现：温差发电器的优化结构，包括由p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂组成的π型电偶臂对结构，所述p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂的截面为梯形。所述电偶臂对结构采用串联形式、单极排列，组成温差发电器。所述梯形选择正常梯形，或者带有弧度的梯形，或者三段线结构的梯形。所述带有弧度的梯形为两个斜面（边）为圆弧的梯形。所述三段线结构的梯形为梯形，将两个圆弧斜面（边）近似为由三段斜面组成的斜面，具体如下：弧形斜面依据所在同心圆的圆弧值均匀分为三段（即在圆弧上点上的两个划分点），自梯形的上底到下底连接圆弧上的两个划分点，将弧形斜面近似为由三段线组成的斜面。在上述温差发电器的结构中，p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂选择轴对称设置，即两边选择的梯形都是同方向设置（即上底向上和下底向下）。在上述温差发电器的结构中，p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂选择反方向设置（即一侧p型半导体材料电偶臂上底向上和下底向下，另一侧n型半导体材料电偶臂上底向下和下底向上）。本专利技术结构简单，易于加工，可以显著改善温差发电器性能。通过结构的改善，可以在同等工况下，提升温差发电电动势。附图说明图1是温差发电器结构的示意图。图2是本专利技术实施例采用的温差发电器结构的示意图，其中G1传统温差发电器结构；G2梯形结构；G3小弧度梯形结构；G4大弧度梯形结构；G5倒置弧度梯形结构；G6边框为三段线的梯形结构；G7边框为三段线的倒置梯形结构。图3是本专利技术的新型形状的温差发电器的赛贝克电势分布图，其中（1）传统温差发电器结构；（2）梯形结构；（3）小弧度梯形结构；（4）大弧度梯形结构；（5）倒置弧度梯形结构；（6）边框为三段线的梯形结构；（7）边框为三段线的倒置梯形结构。图4是本专利技术的新型形状的温差发电器的欧姆电势分布图，其中（1）传统温差发电器结构；（2）梯形结构；（3）小弧度梯形结构；（4）大弧度梯形结构；（5）倒置弧度梯形结构；（6）边框为三段线的梯形结构；（7）边框为三段线的倒置梯形结构。图5是本专利技术的新型形状的温差发电器的“电压—电流”曲线，其中（1）传统温差发电器结构；（2）梯形结构；（3）小弧度梯形结构；（4）大弧度梯形结构；（5）倒置弧度梯形结构；（6）边框为三段线的梯形结构；（7）边框为三段线的倒置梯形结构。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。本专利技术的技术方案是通过改进传统的π型电偶臂对结构，使热电材料能够更有效的利用温差，在不增加热电材料使用量的前提下，生成更大的电动势。如附图1所示温差发电器结构的示意图，一块顶部金属板和两块底端金属板，一块底端金属板上设置p型电偶臂，另一块底部金属板上设置n型电偶臂，p型和n型电偶臂的顶端与一块顶部金属板相连，整体上组成传统的π型电偶臂对结构，其中p型和n型电偶臂是温差发电器的核心元件。在温差发电器在工作时，一端靠近热源（图1中的顶端金属板），一端靠近冷源（图1中的底端金属板），由此在温差发电器两端形成一个温差。对于n型半导体电偶臂，自由电子的能量是随温度升高而增加的，如果导体具有温度差，那么热端电子将比冷端电子获得更多的速度和能量，即在温差的驱动下，电偶臂中的载流子——电子的浓度随温度升高而增加，形成热端流向冷端的一股电子流，这种电荷的积累就建立了一定的电势差，这电势差形成了一个反向电子流。当电荷积累到一定程度，反向的电子漂移流与正向的电子扩散流相等，这就达到了稳定状态，半导体电偶臂两端即形成了稳定的电动势。p型半导体中的多数载流子是空穴而不是电子，这种情况与上述情形类似，显然，这时的温差电动势与上述情形相反。由此可见，由p，n型电偶臂组成的电偶臂对得到的总温差电动势是两者绝对值之和。当温差发电器是由若干串联而成的p型和n型电偶臂组成，温差发电器的总电势即是所有电偶臂对的电动势之和。图2给出的是传统的温差发电器结构以及通过本专利技术改进后的结构，并标出各个位置的尺寸，单位mm，对应不同形状的模具可以制备出不同结构的电偶臂。对比附图1可知，附图2给出的不同结构温差发电器，采用相同的π型电偶臂对结构（即一块顶部金属板和两块底端金属板，一块底端金属板上设置p型电偶臂，另一块底部金属板上设置n型电偶臂，p型和n型电偶臂的顶端与一块顶部金属板相连，整体上组成传统的π型电偶臂对结构），通过调整p型和n型电偶臂结构，实现不同的温差发电结构。改进后的电偶臂结构和尺寸分别如图2所示，其电偶臂体积由大到小依次为：G1=G2>G3>G6=G7>G4=G5，梯形结构中较短的一边为上底，较长的一边为下底：（1）传统温差发电器结构G1，即传统的π型电偶臂对结构，标出顶部金属板长度为4.5mm，厚度0.5mm；底部金属板长度为2mm，厚度为0.5mm；p型和n型电偶臂对称设置，高度为1mm，长度为2mm；从侧视图sideview来看，顶部金属板、底部金属板、p型和n型电偶臂的宽度均为2mm；（2）梯形结构G2，标出顶部金属板长度为4.5mm，厚度0.5mm；底部金属板长度为2.5mm，厚度为0.5mm；p型和n型电偶臂对称设置，截面选择梯形结构，上底为1.5mm，下底为2.5mm，高度为1mm；从侧视图sideview来看，顶部金属板、底部金属板、p型和n型电偶臂的宽度均为2mm；（3）小弧度梯形结构G3，标出顶部金属板长度为4.5mm，厚度0.5mm；底部金属板长度为2.5mm，厚度为0.5mm；p型和n型电偶臂对称设置，截面选择为小弧度梯形结构，上底为1.5mm，下底为2.5mm，高度为1mm，弧度半径为2.5mm；从侧视图sideview来看，顶部金属板、底部金属板、p型和n型电偶臂的宽度均为2mm；（4）大弧度梯形结构G4，标出顶部金属板长度为4.5mm，厚度0.5mm；底部金属板长度为2.5mm，厚度为0.5mm；p型和n型电偶臂对称设置，截面选择为大弧度梯形结构，上底为1.5mm，下底为2.5mm，高度为1mm，弧度半径为1mm；从侧视图sideview来看，顶部金属板、底部金属板、p型和n型电偶臂的本文档来自技高网...

【技术保护点】
温差发电器的优化结构，其特征在于，包括由p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂组成的π型电偶臂对结构，所述p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂的截面为梯形。

【技术特征摘要】
1.温差发电器的优化结构，其特征在于，包括由p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂组成的π型电偶臂对结构，所述p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂的截面为梯形，所述梯形选择三段线结构的梯形；所述三段线结构的梯形中将两个圆弧斜边近似为由三段斜面组成的斜面。2.根据权利要求1所述的温差发电器的优化结构，其特征在于，所述p型半导体材料电偶臂和n型半导体材料电偶臂轴对称设置，截面选择三段线的梯形结构，p型半导体材料电偶臂横截面上底为1.5mm，下底为2.5mm，高度为1mm；n型半导体材料电偶臂横截面上底为1.5mm，下底为2.5mm，高度...

【专利技术属性】
技术研发人员：于书海，牛志强，焦魁，杜青，尹燕，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12