温电差效应及其应用研究.docx

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温电差效应及其应用研究

目录

摘要…………………………………………………………………………………1

Abstract………………………………………………………………………………1

引言…………………………………………………………………………………1

1温差电效应…………………………………………………………………………1

1.1塞贝克（Seebeck）效应…………………………………………………………2

1.2珀尔贴（Peltier）效应…………………………………………………………2

1.3汤姆逊（Thomson）效应…………………………………………………………2

2温差电效应的应用…………………………………………………………………3

2.1航空航天领域应用……………………………………………………………3

2.2军事领域的应用………………………………………………………………3

2.3生产生活中的应用……………………………………………………………4

3温差电发展所面临的问题及其前景展望…………………………………………7

结语……………………………………………………………………………………8

参考文献………………………………………………………………………………8

温差电效应及其应用研究

摘要：

温差电效应又称为热电效应，有着其它技术所不能及的诸多优点和广泛的应用前景，对人们的生活有着很大的影响。

本文简要介绍了温差电现象,并着重涉及它的应用以及目前所面临的问题和对前景的展望。

关键词:

温差电效应；珀尔贴效应；塞贝克效应；应用

ThermoelectricEffectAndItsApplicationResearch

Abstract：

Alsoknownashoteffect,thermoelectriceffectwithothertechnologyofmanyadvantagesandbroadapplicationprospect,hasgreatinfluenceonpeople'slives.Thermoelectricphenomenaarebrieflyintroduced,andmainlyinvolvetheapplicationofitandthefacingproblemsandtheprospectofoutlook.

Keywords:

thermoelectriceffect;Peltiereffect;Seebeckeffect;application

引言

金属和半导体中存在电位差时产生电流，存在温差时产生热流。

从电子论的观点来看，不论电流还是热流都与电子运动有关，故电位差、温度差、电流、热流之间会存在交叉关系，这就构成了温差电效应，又称热电效应。

温差电是研究温差和电之间关系的科学,更准确地说是研究热能和电能直接转换的科学。

温差电从发现至今已经有一百多年的历史了,但由于金属的温差电效应非常微弱,所以在很长一段时间内并未得到广泛的应用。

自从人们发现用半导体和金属氧化物代替金属可以使温差电效应得到明显提高后,温差电效应的应用翻开了新的一页。

目前温差电效应在航空航天、军事和生产生活中的应用得到了长足的发展,特别是在发电和致冷这两个方面:

温差发电能够促进能源结构的多元化,缓解能源危机,其具有很强的稳定性且无污染,如放射性同位素温差电源;而在致冷方面,与传统的致冷工艺相比,温差致冷具有很大的优越性,应用如便携式手提冰箱。

1温差电效应

到目前为止,发现的温差电效应概括起来有三种，即塞贝克效应、珀耳帖效应和汤姆孙效应。

1.1塞贝克（Seebeck）效应

图1

如果两种不同导体连接成闭合电路，且两个接头的温度不等时，则回路中产生电动势，会有电流出现，此现象是塞贝克于1822年发现的，称为塞贝克效应。

如图1所示,由金属A、B接成的热电偶在两个接点处保持不同的温度T和T+

实验发现,回路中两接点处将产生电势差,且与两接点处的温度差

成正比[1],即：

图1.1塞贝克效应示意图

称为温差电动势系数,它与材料及温度有关[1]。

1.2珀尔贴（Peltier）效应

图1.2珀尔贴效应示意图

当有电流通过不同导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，不同导体的接头处还会随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。

这是珀耳帖在1834年发现的，称为珀尔贴效应。

如图2所示,将两种金属A、B相连接,并保持其温度恒定不变。

实验发现,当有电流通过电路时,在一个接点处有热量放出,在另一接点处则吸收热量,如果将电流方向反向,则原来吸热的一端变为放热,原来放热的一端变为吸热,以

表示从A流往B的电流密度,单位时间内,单位截面的导线在接点处所吸收的

热量为:

式中

称为珀尔帖热流密度,

是该两种金属的珀尔帖系数,取决于两种金属的性质,并与温度有关[2]。

1.3汤姆逊（Thomson）效应

1856年英国科学家汤姆孙（即开尔文）用热力学分析上述两种温差电效应时指出，还应有第三种温差电效应存在。

后来有人在实验上发现，当电流通过具有温度梯度的均匀导体时,除了放出焦耳热外,导体还需要放出或吸收另外的热量,称为汤姆热,以

表示电流密度,在单位时间内,单位体积的导体放出的汤姆热

为:

式中

是汤姆逊系数,它与温度和材料性质有关,这个现象称为汤姆逊效应[3]。

产生该效应原因有:

（1）因为出现温度梯度,导体本身各部分的物性有差异,如带电粒子浓度将随温度而异,于是有类似珀尔帖效应出现;

（2）温度梯度引起温差电动势,它将对电流作功。

可以看出,珀尔帖效应就是塞贝克效应的逆过程,后面所提到的温差发电利用的就是塞贝克效应,而温差致冷利用的是珀尔帖效应。

2温差电效应的应用

温差发电有其得天独厚的优点:

它是利用热电材料将热能直接转化为电能,是一种全固态能量转化方式,因而在发电的过程中无噪音,无磨损,无介质泄露且体积小,重量轻,移动方便,使用寿命长,稳定,环保等。

目前,温差电技术在航天、军事领域已经得到了广泛的应用,在日常生活中的应用也在逐步扩大,这其中以美国和俄罗斯在军事、航天方面处于领先地位,民用上以日本为前沿,而欧盟则侧重于小功率电源的研制。

2.1航空航天领域应用

放射性同位素温差发电器是目前唯一适合于外层空间探测的小型航天器电源系统。

前苏联和美国是研制和使用同位素温差发电器最多的国家,自1961年以来,仅美国在太空飞行中使用的同位素温差发电器就达40个,这些同位素温差发电器的输出功率为2.7～300W,最长的工作时间已超过30年。

1977年8月20日发射的旅行者2号行星际飞行器,使用

同位素温差发电器,已成功飞越了木星、土星、天王星和海王星,现已飞出太阳系,温差发电器仍在正常工作[4]。

现在主要依靠放射性同位素发电系统来解决探索器的能源支持问题,这是因为在远离太阳的地方,不能借助太阳能来支持探测器的飞行,而如果用电池,既增加了飞行器的负担,同时维持的时间又不能满足要求,甚至稳定性也达不到设计的需要。

利用放射性同位素温差发电系统能够解决上述问题。

利用温差电技术,一枚硬币大小的放射性同位素热能源能够提供长达二十年以上的不间断供电。

2.2军事领域的应用

在军事方面,温差电技术也得到了广泛深入的应用,由于温差发电机具有体积小,无震动,无声音等良好的隐蔽性,所以广泛应用于潜艇和情报收集传输的能源支持等方面,美国的导弹定位系统也利用了温差发电技术[5]。

温差电技术能够提供信号传输所需要的能源,而不受地域和环境的限制。

2.3生产生活中的应用

温差电技术在生产生活中还没有得到大范围的应用,但是已经取得了可喜的进展。

温差电技术稳定性好、无需维护的特点使其在发电和输送困难的偏远地区发挥着重要的作用,已用于极地,沙漠,森林等无人区的微波中继站,无人航标灯,油管的阴极保护等。

前苏联从二十世纪六十年代末开始先后制造了1000多个放射性同位素温差发电机,广泛用于灯塔和导航标志,平均使用寿命长于十年。

在我们的日常生活中,利用废旧的CPU散热片,可以自制冰镇啤酒凉杯,在炎热的夏天,即使停电利用电池的电量也能喝上冰爽的啤酒。

2.3.1热电偶温度计

把两种不同的金属两端彼此焊接组成闭合回路，若两接点的温度不同，回路中就产生温差电动势。

这两种金属的组合叫热电偶。

温差电动势的大小除和组成的热电偶材料有关外，还决定于两接点的温度差。

将一端的温度T

固定（称为冷端，实验中利用冰水混合物），另一端的温度T改变（称为热端），温差电动势亦随之改变[6]。

电动势和温差的关系较复杂，其第一级近似式为：

ε＝α（T−T

）

式中α称为热电偶的温差电系数，其大小取决于组成热电偶的材料。

图2.1热电偶示意图

热电偶可用电测量温度。

用一只已知α值的热电偶，一端温度固定不变，另一端与待测物体接触，再用电位差计测出热电偶回路的电动势，就可求出待测温度。

这样就构成了温差电偶温度计。

这种温度计测温范围很广，可在−200～2000℃范围内使用，从液态空气的低温到炼钢炉中的高温均可用温差电偶测定。

例如铜和康铜构成的温差电偶的测温范围在200～400℃之间；铁和康铜则被使用在200～1000℃之间；由铂和铂铑合金（铑10%）构成的温差电偶测温可达上千摄氏度以上；铱和铱铑（铑50%）可用于2300℃；若用钨和钼（钼25%）则可高达2600℃。

温差电偶的测温灵敏度和准确度很高，可达

K以下，特别是铂和铑的合金制成的温差电偶稳定性很高，常用作标准温度计。

温差电偶的测温端的面积和热容量均很小，可测量小范围内的温度或微小热量，这对研究金相变化、化学反应和小生物体的测温等有重要意义。

将温差电偶的测温端封装在真空管内，并在端点焊上涂黑的金属片，可更有效地吸收辐射热，灵敏度也大大提高，是测定光辐射和红外线的重要检测器件。

把许多温差电偶串接起来成为温差电堆，可增大温差电动势，从而提高测温灵敏度。

2.3.2温差发电

温差发电是利用塞贝克效应把热能（即内能）转化为电能。

当一对温差电偶的两个接头处于不同温度时，电偶两端就有一定电动势。

要得到较大的功率输出，实用上通常把若干对温差电偶串（或并）联成为温差电堆。

用作温差发电机的温差电偶两臂可用一个N型和一个P型半导体组成，也可用两种不同的金属合金组成[6]。

然而温差电器件的特性取决于温差电材料（即电偶两臂）的品质因数为：

式中α是温差电动势率、σ是电导率、λ是热导率。

由于半导体温差电材料的品质因数比金属的高得多，所以有实用价值的温差电材料都是用半导体材料制成的。

温差半导体发电有着无噪音、寿命长、性能稳定等特点。

可在−40℃的寒冷环境中迅速启动，因此在实际中得到越来越广泛的应用。

半导体温差发电机，目前主要用于油田、野外、军事等领域。

如美国TeledyneInc.开发的军用、油田专用发电机，年销售额超过10亿美元。

该项目的另一市场化领域在于将发电装置用于太阳能、地热、工业废能等的利用，使热能直接转化为电能。

另外，半导体发电模块体积小、重量轻、便于携带，可广泛用于小家电制造、仪器仪表、玩具及旅游业。

随着保护环境、节约能源的呼声越来越高、利用温差发电可能是发展大方向、从小型器件到大型电站，越来越多的实验室理论付诸实践。

图2.2半导体珀尔贴效应示意图

（1）小功率电源

德国科学家最近发明了一种利用人体温差产生电能的新型电池,可以给便携式的微型电子仪器提供长久的”动力”,因而免去了充电或更换电池的麻烦。

据德国《科学画报》杂志报道,德国慕尼黑的一家芯片研发企业研究出的这种新型电池,主要由一个可感应温差的硅芯片构成。

当这种特殊的硅芯片正面“感受”到的温度较之背面温度具有一定温差时,其内部电子就会产生定向流动,从而产生“微量但却足够用的电流”[7]。

负责研发这种电池的科学家温纳·韦伯介绍说:

“只要在人体皮肤与衣服等之间有5℃的温差,就可以利用这种电池为一块普通的腕表提供足够的能量”。

科学家介绍,这种新型电池不仅可用于手表、手机、掌上电脑等,还可为一些医学电子仪器,如腕戴式血压、脉搏等测量仪器提供能量。

（2）余热废热发电

随着世界工业化进程的加快,钢铁厂,水泥厂,造纸厂,石油冶炼厂,纺织厂等越来越多。

在生产过程中,余热和废水排放量也直线上升,利用它们产生的余热来发电可以产生很高的经济效益。

这样既实现了能源的有效利用又不需要什么成本,可以说是一本万利。

同样的,在汽车的发动机和排气管上面安装温差发电系统,把热能转换为电能并用于推动汽车,可以减少燃油消耗,在一定程度上达到节约能源的作用。

美国Cardiff大学的Rowe教授通过实验发现,利用洗澡后浴缸中剩余水的余热产生电,可以使一台彩色电视机连续工作一小时[8]。

因此,只要我们把身边的废热余热利用起来就可以节省能源,利国利民。

2.3.3温差制冷

温差电制冷是温差发电的逆效应，它利用珀耳帖效应用电能来传递热量。

半导体温差电制冷器是由N型半导体和P型半导体构成的温差电偶，用铜片把两个半导体连接起来。

电流I由N型半导体流向P型半导体时，该接头吸收珀耳帖热；在另一接头，电流由P型半导体流向N型半导体，有热量释放出来。

通过各种散热方式把热端的热量带走，冷端就能保持较低温度。

在热平衡条件下，冷端所能达到的温度取决于半导体材料的温差电特性和冷端的热负载以及器件的设计（工作状态、散热条件等）。

为了获得较大产冷量，实用制冷器也常用温差电堆构成。

目前一级制冷温差可达50～60℃，二级制冷可达70～80℃，三级制冷可达90～100℃。

由于低温下材料的制冷性能变差，所以一般只作到三级左右[9]。

半导体温差电制冷器的制冷效率不随制冷容量变化。

当制冷容量超过几十升时，其效率比不上压缩式制冷机的效率；但对小容量制冷，它是相当优越的，适用于做各种小型恒温器以及要求无声、无干扰、无污染等特殊场合。

目前温差制冷技术已经应用于对温差要求不是很高的情况,比如便携式制冷箱。

随着社会的发展,人们对冰箱和空调舒适度和方便的要求越来越高,对环境的保护也给予了特别的关注,温差电技术正符合这些要求,因为这种技术不需要制冷剂,而且没有噪音,能根本上革新传统的利用制冷剂和压缩机来达到致冷的技术。

在电子工业中,利用温差电技术的半导体致冷器作为低温稳定器,可用来提高电子元件的性能,特别是在超大规模集成电路广泛应用的今天,可以使电路元件在适宜的温度下工作而又不增加元件的体积。

半导体致冷器在小型空调中作冷源,做成小型手提冰箱,为长途车司机和野外作业人员提供方便,它还可以做成去湿机,快速冷饮机和高温作业人员用的降温头带等。

随着其致冷性能不断提高,成本逐渐下降,半导体致冷器必将得到更广泛的应用。

3温差电发展所面临的问题及其前景展望

虽然温差电技术有显著的优越性,但是它的发展却受到一些因素的阻碍。

其中主要因素是:

（1）成本比较高,目前其主要应用于不以成本为主要考量的领域,如军事,航空航天等,而在工业,商业或是日常生活用途上还有很长的路要走;

（2）热能和电能的转换效率很低,目前普遍只有5%左右。

所以,只有找到一种既成本低廉,而且转换率又能够得到很大提高的新型材料,应用才能得到全面的推广。

目前,我国已经成为世界上温差电产品生产规模最大的国家之一,产品的技术性能也接近国际先进水平。

以电子致冷饮水机为代表的温差电致冷产品广泛进入了普通家庭,可以相信,温差电技术必将得到更加广泛的应用。

我国南海海域辽阔,水深大于800米的海域约140～150万平方公里,位于北回归线以南,太阳辐射强烈,是典型的热带海洋,表层水温均在25℃以上。

据初步计算,南海温差能资源理论蕴藏量约为（1.19～1.33）×

KJ,技术上可开发利用的能量（热效率取7%）约为（8.33～9.31）×

KJ,实际可供利用的资源潜力（工作时间取50%,利用资源10%）装机容量达13.21～14.76亿千瓦。

我国台湾岛以东海域表层水温全年在24～28℃,500～800米以下的深层水温在5℃以下,全年水温差20～24℃.据台湾电力专家估计,该区域温差能资源蕴藏量约为2.16×

KJ.我国温差能资源蕴藏量大,在各类海洋能资源中占居首位,且这些资源主要分布的海域具有日照强烈,温差大且稳定,全年可开发利用的特点。

另外,由于地表和地下之间的温差较大,所以也蕴藏了丰富的能量。

美国密西西比州立大学的Stevens教授进行了利用地表与地下的温差发电的有关实验和研究[10]。

相信在科学家们的进一步研究中,温差电技术一定能够更加成熟,为我们未来的生活带来诸多便利。

结语：

目前,人类正面临着能源紧缺和环境恶化的挑战,这为温差电技术的发展提供了千载难逢的机遇。

随着我国经济的高速发展,对能源的需求越来越大,同时,世界局势的瞬息万变,这对于像我国这样一个对能源进口占很大比重的国家来说,具有很大的安全隐患。

另一方面,可持续发展对环境的保护提出了更高的要求。

所以,我们应该从实际需求出发,加大投入,大力发展温差发电,走出一条拥有自主知识产权和特色的能源之路。

参考文献

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