CN102263196B - 一种半导体温差发电组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体温差发电组件，包括热端基板、冷端基板和多对PN结发电粒子，相邻两对PN结发电粒子通过铜导流片的内侧串联连接，热端基板、冷端基板分别位于发电粒子的两端，其特征在于：热端基板为氧化铝陶瓷基板，氧化铝陶瓷基板与位于热端的铜导流片的外侧连接；冷端基板为铝合金基板，铝合金基板与位于冷端的铜导流片的外侧之间使用高导热绝缘双面胶连接。本发明在原有商业温差发电组件的基础上，将冷端基板进行改造，由导热系数较大的覆膜铝合金基板代替传统的氧化铝（Al2O3）陶瓷基板。此发电组件具有较高的导热系数和绝缘性能，提高了温差发电组件的发电性能。本发明方法简单，实用，易于工业化。

Description

一种半导体温差发电组件
技术领域
本发明涉及半导体温差发电技术领域，具体涉及可用于低品位热利用的高效温差发电组件。 
背景技术
随着建设“资源节约型”和“环境友好型”社会的深入，节能与环保已成为21世纪人类面临的一个共同问题。中国正处在可持续发展的关键阶段,充分回收利用低品位能源、余热、废热能源具有重要意义。我国的能源十分短缺，能源的利用率较低，各种工业余热、废热等低品位热能都没有得到有效利用，迫切需要研发新型能源利用技术以节约能源并提高能源利用效率。
半导体温差发电是一种新型的发电方式，具有结构简单、坚固耐用、清洁、无泄露、无运动部件、无噪声、不受温差限制、使用寿命长等优点。它可以合理利用太阳能、地热能、工业余热废热等低品位能源转化成电能，符合绿色环保的要求。所以在军事、航天、工业、医疗等应用领域有明显的优势，民用的市场前景也非常广阔。
目前国内外商用温差发电组件普遍采用氧化铝（Al2O3）陶瓷作为温差发电组件基板，其导热系数相对金属材料而言比较低，冷端散热不快，相互接触热阻较大，使得组件两端的温差很难保持较高状态。由于发电粒子与铜导流片通过高温焊料焊接，高温焊料的热膨胀系数与发电粒子的热膨胀系数不匹配时容易脱离，造成模块断路，使发电组件失效。
因此，利用强化传热技术，研制高效的半导体温差发电组件，使之可以回收低温余热和利用太阳能发电是一条很好的节能途径。一方面可以极大地促进我国能源的高效利用，另一方面又可以缓解日益紧张的能源压力和环境压力，对国民经济的持续发展具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种半导体温差发电组件，解决了温差发电组件之间的接触热阻和冷端冷却问题。传统温差发电组件，冷端散热不快，相互接触热阻较大，使得组件两端的温差很难保持较高状态。由于发电粒子与铜导流片通过高温焊料焊接，高温焊料的热膨胀系数与发电粒子的热膨胀系数不匹配时由于热应力的作用容易脱离，造成发电组件的失效。
为解决以上问题，本发明的技术方案是：
一种半导体温差发电组件，包括热端基板、冷端基板和多对PN结发电粒子，相邻两对PN结发电粒子通过铜导流片的内侧串联连接，热端基板、冷端基板分别位于发电粒子的两端，热端基板为氧化铝陶瓷基板，氧化铝陶瓷基板与位于热端的铜导流片的外侧连接；冷端基板为铝合金基板，铝合金基板与位于冷端的铜导流片的外侧之间使用高导热绝缘双面胶连接。
上述的温差发电组件中，铜导流片与所述发电粒子通过高温焊料焊接。
上述的温差发电组件中，所述氧化铝陶瓷基板和位于热端的铜导流片的外侧使用高温焊料焊接。
上述的温差发电组件中，所述氧化铝陶瓷基板在20℃时的导热系数≧24W/(m·K)，线膨胀系数为6.5×10-6mm/℃，厚度为0.7mm。
上述的温差发电组件中，所述铝基板为铝合金板，在20℃时其导热系数为203W/(m·K)，线性热膨胀系数为22×10-6/K，厚度为1mm。
上述的温差发电组件中，所述温差发电组件中的P型发电粒子、N型发电粒子均采用经过区熔法制备的碲化铋基热电材料，发电粒子呈矩形截面，熔点为575℃，热导率为1.5W/(m·K)，其线性热膨胀系数为13.0×10-6/K。
上述的温差发电组件中，所述高导热绝缘双面胶导热系数为1.5W/(m·K)，厚度为0.05mm，粘着力：3.5kg/inch，耐电压大于2.5kV/mm，耐温范围为-20～+180℃。
上述的温差发电组件中，所述高温焊料为Sn95Sb5焊料，其熔点为232℃，密度为7.24g/cm3，焊接强度为41.37MPa。
本发明利用强化传热技术来提高温差发电组件冷端基板的导热系数，降低铜导流片与基板之间的接触热阻，缓冲焊料与发电粒子的热膨胀应力，提高组件性能。在商用温差发电组件的基础上，组件热端由氧化铝陶瓷作为基板，冷端采用导热系数较高的铝合金作为基板，使用高导热绝缘双面胶代替高温焊料将铜导流片的外侧和铝合金基板连接在一起。
现有的商业温差发电组件冷端散热不快，相互接触热阻较大，发电效率较低且生产成本较高。本发明的温差发电组件由多对PN结发电粒子串联构成，温差发电组件呈矩形截面，铜导流片作为电极连接P型发电粒子和N型发电粒子形成PN结发电粒子，多对PN结发电粒子又通过铜导流片串联而形成完整线路，热端采用氧化铝陶瓷基板，冷端采用铝合金基板与外界相耦合。
与现有商用温差发电组件相比，本发明的有益效果有：
（1）本发明中冷端采用铝合金基板代替陶瓷基板，大大提高其导热系数，也提高了组件的机械强度。
（2）本发明中使用高导热铝合金代替陶瓷基板，使用商用导热双面胶代替高温焊料，可以有效地降低温差发电组件的生产成本。
（3）本发明中所使用的导热绝缘双面胶为软性材料，可以填充铜导流片和铝合金基板之间的细小间隙，减小其接触热阻，增大换热面积，传热效率高；同时导热绝缘双面胶对于焊料与发电粒子之间的热应力作用也可起到一定的缓冲作用。
（4）本发明把温差发电组件热端与冷端分开，考虑了组件高温热膨胀和冷端散热速度的问题，提高了组件的热稳定性和发电效率。
（5）本发明提供了一种可民用化的，结构简单且易于工业化生产的新型温差发电组件，提高了发电效率，拓展了温差发电组件的应用范围。
附图说明
图1传统的商用温差发电组件示意图。
图2本发明的温差发电组件示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。
在原有的温差发电组件（如图1）的基础上，本发明的一种温差发电组件（如图2）应用铝合金基板8代替传统的氧化铝陶瓷基板2，热端通过氧化铝陶瓷基板1与热源相耦合，使用高温焊料将氧化铝陶瓷基板与热面铜导流片3的外侧焊接。冷端由高导热绝缘双面胶7代替高温焊料4令铝合金基板8与冷面铜导流片的外侧相接。使用高温焊料将铜导流片3的内侧分别与P型发电粒子5和N型发电粒子6相连，相邻的P型发电粒子5和N型发电粒子6通过铜导流片连接形成一个PN结，多个PN结又通过铜导流片串联连接形成温差发电组件。
所述氧化铝陶瓷基板，20℃时其导热系数≧24W/(m·K)，线膨胀系数为6.5×10-6mm/℃，厚度为0.7mm。
所述铝基板为铝合金板，20℃时其导热系数为203W/(m·K)，线性热膨胀系数为22×10-6/K，厚度为1mm。
所述高导热绝缘双面胶，其导热系数为1.5W/(m·K)，厚度为0.05mm，粘着力：3.5kg/inch，耐电压：>2.5kV/mm。长期耐温范围：-20～+180℃。
所述高温焊料为Sn95Sb5焊料，其熔点为232℃，密度为7.24g/cm3，焊接强度为41.37MPa。
所述温差发电组件中的P型发电粒子、N型发电粒子均采用经过区熔法制备的碲化铋基热电材料。发电粒子呈矩形截面，熔点为575℃，热导率为1.5 W/(m·K)，其线性热膨胀系数为13.0×10-6/K。
综上所述，本发明通过采用以上结构和材料，本发明中冷端采用铝合金基板代替陶瓷基板，大大提高其导热系数，也提高了组件的机械强度；使用高导热铝合金代替陶瓷基板，使用商用导热双面胶代替高温焊料，可以有效地降低温差发电组件的生产成本；使用的导热绝缘双面胶为软性材料，可以填充铜导流片和铝合金基板之间的细小间隙，减小其接触热阻，增大换热面积，传热效率高；同时导热绝缘双面胶对于焊料与发电粒子之间的热应力作用也可起到一定的缓冲作用；本发明把温差发电组件热端与冷端分开，考虑了组件高温热膨胀和冷端散热速度的问题，提高了组件的热稳定性和发电效率。
可见，本发明结构简单，可提供使用功效，而且成本低，能够生产对数多、输出电压高的温差发电组件，适合于工业大规模上产。

Claims (2)

1.一种半导体温差发电组件，包括热端基板、冷端基板和多对PN结发电粒子，相邻两对PN结发电粒子通过铜导流片的内侧串联连接，热端基板、冷端基板分别位于发电粒子的两端，其特征在于：热端基板为氧化铝陶瓷基板，氧化铝陶瓷基板与位于热端的铜导流片的外侧连接；冷端基板为铝合金基板，铝合金基板与位于冷端的铜导流片的外侧之间使用高导热绝缘双面胶连接；铜导流片与所述发电粒子通过高温焊料焊接；所述氧化铝陶瓷基板和位于热端的铜导流片的外侧使用高温焊料焊接；所述氧化铝陶瓷基板在20℃时的导热系数≧24W/(mK)，线膨胀系数为6.5×10-6mm/℃，厚度为0.7mm；所述铝合金基板在20℃时其导热系数为203W/(mK)，线性热膨胀系数为22×10-6/K，厚度为1mm；所述温差发电组件中的P型发电粒子、N型发电粒子均采用经过区熔法制备的碲化铋基热电材料，发电粒子呈矩形截面，熔点为575℃，热导率为1.5W/(mK)，其线性热膨胀系数为13.0×10-6/K；所述高导热绝缘双面胶导热系数为1.5W/(mK)，厚度为0.05mm，粘着力：3.5kg/inch，耐电压大于2.5kV/mm，耐温范围为-20～+180℃。
2.根据权利要求1所述的半导体温差发电组件，其特征在于：所述高温焊料为Sn95Sb5焊料，其熔点为232℃，密度为7.24g/cm3，焊接强度为41.37MPa。
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