本发明专利技术涉及提高功率和性能的P型、N型半导体混联阵列式热电器件，包括基底、多个热电偶和导电片，每个热电偶包括i个并联的P型热电半导体、j个并联的N型热电半导体，每个热电偶的P型热电半导体、N型热电半导体分别经导电片并联，再通过导电片将热电偶内并联的P型热电半导体组与并联的N型热电半导体组串联，同一个热电偶的热电半导体位于不同行或者不同列时，用于热电偶内并联或串联连接的导电片为L形。本发明专利技术采用多个P型热电半导体内部并联后再与内部并联的N型热电半导体串联的混联式连接方式，解决了P型、N型半导体材料参数不一致引起的整体输出电流受限问题，实现了热电器件更高的输出功率和性能。的输出功率和性能。的输出功率和性能。
【技术实现步骤摘要】
提高功率和性能的P型、N型半导体混联阵列式热电器件
[0001]本专利技术属于热电转换、清洁能源领域，具体涉及一种P型、N型半导体混联式热电器件及其参数确定方法。
技术介绍
[0002]热电转换技术作为清洁能源的一种，能够将热能直接转换为电能，无任何污染，无噪音，是一种极具应用前景的可替代能源。得益于热电材料的发展，热电发电技术已经应用于众多领域，例如，在航空航天上，热电器件可将放射性元素衰变释放的热能转换为电能为航天器供电；在可穿戴设备上，热电器件可将人体体温转换为电能实现可穿戴设备的自供能；在太阳能利用上，热电器件可将太阳的辐射热转化为电能，为太阳能发电提供一种全新的途径；在余热回收上，热电器件可将汽车发动机尾气、工业废热及船舶尾气等余热重新利用并转化为电能，提高化石燃料的能源利用率并节约能源。
[0003]热电器件作为热电转换技术的核心发电单元，其输出性能直接影响系统的发电量。传统的热电器件中所有的热电半导体采取全串联的方式连接，然而，由于P型热电材料和N型热电材料塞贝克系数、电阻率和热导率的不对称性，热电器件整体的输出电流等于P型半导体或N型半导体中较小的输出电流，引起电能损耗。为了克服这个缺陷，专利CN201910179839.9提出一种非对称的PN结热电偶结构，通过改变P型热电半导体或者N型热电半导体的横截面积实现两者相同的电流输出。然而，P型热电半导体和N型热电半导体之间细小的尺寸参数差异增大了加工的难度。
[0004]因此，研究通过调整P型热电半导体和N型热电半导体的串并联关系实现两者相同的电流输出，且P型热电半导体和N型热电半导体均采用统一的尺寸参数，有效降低了加工的难度，并克服了热电器件输出电流受限的难题。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是针对上述问题，提供一种提高功率和性能的P型、N型半导体混联阵列式热电器件，用来克服P型热电材料和N型热电材料的非对称性引起的电能损耗问题，通过一种全新的热电半导体之间的拓扑连接方式，实现热电器件更高的输出性能。
[0006]本专利技术的技术方案是提高功率和性能的P型、N型半导体混联阵列式热电器件，包括基底、多个热电偶和导电片，每个热电偶包括i个并联的P型热电半导体、j个并联的N型热电半导体，每个热电偶的P型热电半导体、N型热电半导体分别经导电片并联，再通过导电片将热电偶内并联的P型热电半导体组与并联的N型热电半导体组串联，P型热电半导体和N型热电半导体的高度均为H、长度均为L、宽度均为W。
[0007]所述热电器件的P型热电半导体、N型热电半导体在基底的第一基板上呈阵列排列，相邻的热电半导体之间的间距为D；热电半导体形成的阵列上方设有第二基板。
[0008]优选地，第一基板的尺寸参数与第二基板的尺寸参数相同。
[0009]第一基板的长度大于排列阵列中每一行所有热电半导体的长度及其间距之和，第
一基板的宽度大于每一列所有热电半导体的宽度及其间距之和。
[0010]第一基板、第二基板分别与热电半导体两端的导电片固定连接，第一基板或第二基板边缘处的热电半导体的导电片与对应的基板边缘的间距不小于D。
[0011]用于热电偶内并联或串联连接的导电片的长度L1满足关系式：
[0012]L1≥(i+j)L+(i+j
‑
1)D
[0013]导电片的宽度W1满足关系式：W1≥W。
[0014]当同一个热电偶的热电半导体位于不同行或者不同列时，用于热电偶内并联或串联连接的导电片为L形。
[0015]热电半导体两端均镀有金属层，热电半导体端部的金属层与热电半导体端部的导电片焊接，且用于导电片焊接的焊料的熔点大于热电半导体的最大工作温度。
[0016]优选地，热电半导体端部的金属层厚度为1
‑
10μm。
[0017]所述热电器件的参数确定方法，包括：
[0018]1)分别计算单个P型热电半导体、N型热电半导体的等效输出电流I
P
、I
N
，比较I
P
和I
N
，从而确定i与j的大小关系；
[0019]若I
P
>I
N
，则i<j；若I
P
＝I
N
，则i＝j；若I
P
<I
N
，则i>j；
[0020]2)分别计算单个热电偶中i个P型热电半导体、j个N型热电半导体的输出电流∑I
P
、∑I
N
，令∑I
P
＝∑I
N
，得到P型热电半导体和N型热电半导体数量比Fr；
[0021]3)确定单个热电偶中P型热电半导体的数量i和N型热电半导体的数量j，以及热电器件中热电偶的数量k、P型热电半导体的数量和N型热电半导体的数量。
[0022]进一步地，单个P型热电半导体的等效输出电流I
P
的计算式如下：
[0023][0024]式中表示P型热电半导体的塞贝克系数；表示P型热电半导体的电阻率；T
h
、Tc分别表示热电器件的热端、冷端温度；
[0025]单个N型热电半导体的等效输出电流I
N
的计算式如下：
[0026][0027]式中表示N型热电半导体的塞贝克系数；表示N型热电半导体的电阻率。
[0028]单个热电偶中i个P型热电半导体的输出电流ΣI
P
的计算式如下：
[0029][0030]单个热电偶中j个N型热电半导体的输出电流∑I
N
的计算式如下：
[0031][0032]P型热电半导体和N型热电半导体的数量之比：
[0033][0034]优选地，步骤3)中，将Fr表示为分式的形式，利用分子、分母的最大公约数对Fr分式化简，得到最简化的分式其中Nu表示Fr的最简化的分式的分子，De表示Fr的最简化的分式的分母。
[0035]若Nu<10且De<10，则令i＝Nu,j＝De；
[0036]若Nu≥10或De≥10，将Fr结果表示为小数形式并取近似值，Fr的近似值是对Fr的数值截取小数点后x位的结果，x表示小数位数，1≤x≤3；令Nu取值为的最简化分式的分子，De取值为的最简化分式的分母，然后令i＝Nu,j＝De。
[0037]优选地，小数位数x的取值根据热电器件中热电半导体的数量规模确定，设M为热电器件中P型热电半导体和N型热电半导体的总数量。
[0038]若热电半导体的数量规模为小，即1≤M≤500，则令x＝1；
[0039]若热电半导体的数量规模为中，即500<M≤1000，则令x＝2；
[0040]若热电半导体的数量规模为大，即M>1000，则令x＝3。
[0041]进一步本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.提高功率和性能的P型、N型半导体混联阵列式热电器件，其特征在于，包括基底、多个热电偶和导电片，每个热电偶包括i个并联的P型热电半导体、j个并联的N型热电半导体，每个热电偶的P型热电半导体、N型热电半导体分别经导电片并联，再通过导电片将热电偶内并联的P型热电半导体组与并联的N型热电半导体组串联，P型热电半导体和N型热电半导体的高度均为H、长度均为L、宽度均为W；所述热电器件的P型热电半导体、N型热电半导体在基底的第一基板上呈阵列排列，相邻的热电半导体之间的间距为D；热电半导体阵列另一侧设有第二基板，P型热电半导体、N型热电半导体位于第一基板、第二基板中间；第一基板的长度大于排列阵列中每一行所有热电半导体的长度及其间距之和，第一基板的宽度大于每一列所有热电半导体的宽度及其间距之和；所述的混联阵列式热电器件的参数确定方法，包括：1)分别计算单个P型热电半导体、N型热电半导体的等效输出电流I
P
、I
N
，比较I
P
和I
N
，从而确定i与j的大小关系；若I
P
>I
N
，则i<j；若I
P
＝I
N
，则i＝j；若I
P
<I
N
，则i>j；2)分别计算单个热电偶中i个P型热电半导体、j个N型热电半导体的输出电流∑I
P
、∑I
N
，令∑I
P
＝∑I
N
，得到P型热电半导体和N型热电半导体数量比Fr；3)确定单个热电偶中P型热电半导体的数量i和N型热电半导体的数量j，以及热电器件中热电偶的数量k、P型热电半导体的数量和N型热电半导体的数量。2.根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗丁，杨学林，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：
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