国外微小型温差发电器的研究进展

图4 -12  密歇根大学温差发电方案图

图4 -13  斯图加特大学温差发电方案

    3．热电堆方案

热电堆是一种热电发电器热流的方向与衬底表面垂直的结构，该结构由美国喷气动力实验室提出。两层衬底分别为冷端和热端，中间夹层为热电材料。当冷热端存在温差时，回路就产生电流。采用厚膜Bi2Te3合金材料，优化热电臂面积和长度比，缩小热电器件体积，增加热电偶对数以提高热电功率密度，并获得伏特级的高电压。制造工艺结合了电化学沉积和集成电路的刻蚀工艺以制得P型和N型热电臂。器件由2300个热电偶连成，热电臂的长度为50μm，直径为6μm。在8.5 K温差下，可以以4.1 V的电压提供22 mW的功率。JPL进一步研究的是用P型和N型Bi2Te3纳米线代替厚膜合金，以便用类似的方法实现更小尺寸的热电臂。这样微热电发电器件可以达到很高的功率密度值，但连接电偶臂的金属导流层不容易加工。

    4.2.3.2方案特点

    微卷式、热电堆和薄膜热电发电器件各有优缺点。微卷式热电转换器热损失比较小，对热能的利用率比较高，但在微加工方面实现起来比较困难，同时由于热电材料沿温度梯度方向线性串联排列，每一部分热电材料的温差实际上不大，使其产牛的功率大小也受到了制约。薄膜式温差发电方案从微加工技术方面来说是比较成熟的，其体积尺寸也比较小，但其产生的功率普遍较低，一般只有μW级。，热电堆的PN结相对于温度场并联，而相对于电路则串联，故每一对PN电偶臂串联后，产生的功率相对较大。此外，它的热源燃烧室可以设计得相对较大些，燃料的燃烧和温度控制等相对容易，但热损失比微卷式发电器要大。采用热电堆方案（包括薄膜式热电堆）比微卷式和薄膜式的功率密度要大。

    4.2.3.3前景与展望

    新型热电材料有着非常好的特性，利用潜力大，前景也非常广阔。在未来的一段时间内对它的研究仍然是个热点，同时也是其技术难题的突破阶段。在发电器结构和系统集成上，国内外主要在加工工艺和结构可实现性方面对微小型温差发电器进行研究。微小型热电方案中，热电堆方案比微卷式和薄膜式方案的功率密度要大，采用微小型热电堆发电器可以得到相对较高的功率密度。未来需要突破的技术瓶颈主要在以下三个方面：首先，在发电器的加工工艺方面，可采用新的微加工工艺研制出新型结构的温差发电器，优化和改善微小型热电发电器的发电性能，以达到提高发电器热源的利用效率和输出功率的目的。其次，在热电堆发电器中，可采用溅射镀膜等物理气相沉积( PVD)法形成导流层和热电半导体臂，能减少热电发电器的内阻、接触热阻等参数。优化电偶臂的面长比和单位面积内电偶臂对数，从而进一步提高其功率密度。再次，在微纳米量级条件下，为获取发电器更大的开路电压，需制作更多对数的热电臂。采用立体微加工工艺则可以加工出成千上万对热电臂半导体柱阵列，但要同时保证加工时沿温度梯度方向热电半导材料的塞贝克系数最大，这将是热电器件微型化后需要进一步解决的问题。

上一页  [1] [2] 

本文关键字：暂无联系方式电工基础，电工技术 - 电工基础