带在手上的发电机
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描述热电性能的参数
• 1911 年, 德国的阿持克希提出了一个令人 满意的温差热电制冷和发电的理论, 并提出 了热电优值公式: Z＝S2σ/k 式中: S———材料的塞贝克系数 σ———电导率 k———热导率
• 无论用于发电还是制冷, 热电材料的Z 值越 高越好。从前面的公式可知, 材料要得到高 的Z 值, 应具有高的。Seebeck 系数、高的 电导率和低的热导率, 所以好的热电材料必 须要像晶体那样导电, 同时又像玻璃那样导 热，但在常规材料中是有困难的,因为三者 耦合,都是自由电子(包括空穴)密度的函数, 材料的Seebeck 系数随载流子数量的增大 而减小, 电导率和导热系数则随载流子数量 的增大而增大。
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当两种不同的导体A和B组成的电路且 通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还 会释放出某种其它的热量，而另一个接头 处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这 种现象是可逆的，改变电流方向时，放热 和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的 热量与电流强度I/A成正比，且与两种导体 的性质及热端的温度有关，即： Qab=Iπab
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依其运作温度分为三类
• 碲化铋及其合金：这是目前被广为使用于 热电致冷器的材料，其最佳运作温度 <450℃。 • 碲化铅及其合金：这是目前被广为使用于 热电产生器的材料，其最佳运作温度大约 为1000℃。 • 硅锗合金：此类材料亦常应用于热电产生 器,其最佳运作温度大约为1300℃。
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• 体积小 重量轻，坚固,且工作中无噪音 体积小,重量轻，坚固 且工作中无噪音 重量轻 • 温度控制可在±0.1℃之内 温度控制可在± ℃ • 不必使用 不必使用CFC(CFC氯氟碳类物质，氟里昂。 氯氟碳类物质，氟里昂。 氯氟碳类物质 被认为会破坏臭气层)， 被认为会破坏臭气层 ，不会造成任何环境 污染 • 可回收热源并转变成电能 节约能源)，使用 可回收热源并转变成电能(节约能源 ， 节约能源 寿命长， 寿命长，易于控制
• 目前提高热电材料热电性能的主要方法有以 下几种: ( 1) 通过低维化改善热电材料的输运性能, 如 将该材料做成量子阱超晶格、在微孔中平行 生长量子线、量子点等 ( 2) 通过掺杂修饰材料的能带结构,使材料的 带隙和费米能级附近的状态密度增大 ( 3) 通过梯度化扩大热电材料的使用温区,提 高热电输出功率
测 温 热 电 偶
热电制冷
本图显示的是直接将热能转化 成电能的实验设备。这种设备 在实际应用中可以将任何高温 损耗热量转化为有用的电能。 图片左侧的是一个热电极，它 像任何发热金属一样，该热电 极表面覆盖着电镀层，如果它 接触到冰冻的物体表面，便会 产生电能。然而在一般情况下， 在高温热电极下却很少产生电 流。热电转换材料是一种可以 将热能和电能相互转换的材料。 目前常用的热电转换材料多以 重金属铋、锑和铅等为原料， 这些原料不仅在自然界含量少、 熔点低，而且还有剧毒，这在 很大程度上影响了真正的实用 化。
前景和展望
• 随着能源的日益紧张以及环境污染的日趋 严重, 热电材料作为一种新型能量转换材料 倍受人们的关注、重视。 • 我国在热电材料的研究上相对落后, 国内这 方面的研究主要集中在几个大学: 清华大学、 浙江大学、武汉工业大学、厦门大学等, 而 且主要集中是在理论研究上
• 我国是一个能耗大国, 随着经济的发展, 我国对能 源的需求会更大。然而, 目前热电材料的优值普遍 还比较低, 并且制备的成本较高, 这极大地制约了 它的发展, 如果能把材料的热电优值提高到3 左右, 那它将可以与传统的发电与制冷方式相媲美。 • 近年来纳米技术的迅速发展给热电材料的研究和 制备注入了新的活力, 纳米材料的量子效应以及对 声子的散射效应有望大幅度提高材料的热电性能, 使其热电优值提高到3 变成可能。因此, 研究高优 值的热电材料将对我国的发展带来深远的影响。
航 器 提 供 电 能 。 美 国 军 方
被 用 于 替 代 太 阳 能 电 池 和 航 空 测 探 为 中 测 探 宙 宇 深 层
在
军 工 方 面 的 应 用
技 术
285W (RTG) 的 碲 化 铅 (PbTe) 热 电
(NASA) 较 早
,TEG
2
温差发电机
早在20 世纪80 年代初, 美国就完成了500～ 1000Ｗ军用温差发电 机的研制, 并于80 年 代末正式列入部队装 备, 放在深海中为美国 导弹定位系统网络的 组成部分———无线 电信号转发系统供电。
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在两种金属A和B组成的回路中，如果 使两个接触点的温度不同，则在回路中将 出现电流，称为热电流。 塞贝克效应的实质在于两种金属接触时 会产生接触电势差，该电势差取决于金属 的电子逸出功和有效电子密度这两个基本 因素。
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热电材料的三个效应
• Seeback效应 两种不同金属接触时会产生接触电位差，形成回 路时，两个接头的温度不同，是因为两个接头的 接触电位不同。 • Peltier效应 两个金属通过两个接点连成回路，并通以电流， 会使得一头发冷一头发热。 • Thomson效应 基于前两个效应，还必须考虑单根金属线由于其 两端温度差而产生的电动势。
热电材料
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定义 分类 特点 应用 提高热电效应的方法 主要研究方法和手段 前景
什么是热电材料
• 热电材料又叫温差电材料, 具有交叉耦合的 热电输送性质; 是一类具有热效应和电效应 相互转换作用的新型功能材料, 利用热电材 料这种性质, 可将热能与电能进行直接相互 转化， 年发现的塞贝克效应 塞贝克效应和 转化，1823年发现的塞贝克效应和1834年 发现的帕尔帖效应 帕尔帖效应为热电能量转换器和热 发现的帕尔帖效应为热电能量转换器和热 电制冷的应用提供了理论依据。 电制冷的应用提供了理论依据。
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热电材料的应用 热电器件方面 研究较多的是 热电发电机 ( TEG) 和温差 制冷机。
发 电 机
台 伽 利 略 号 探 测 器 上 就 装
等 空 间 任 锋 务 中 、 。 比 较 典 载 型 了 是 的 行 者 旅 、 者 拓 开 者 先 、 罗
体 热 电 堆 发 电 技 术 应 用 于 阿 波 导 半 将 地 局 天
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主要研究方法和手段
目前制备半导体热电材料的方法日趋成熟, 主要包括: 熔体生长法、粉末冶金法、气相生长法( 包 括物理气相沉积、化学气相沉积、分子束 外延法等) 、化学法、电化学法、水热合成 法、机械合金化法( MA 法) 、热压法、放 电等离子烧结法等
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国外前沿热电材料研究
• 日本国家功能材料研究中心(SMRC) 以 MasanobuMarlo 博士为首的科研人员正在研究91 年联合研 究了大规模利用钢铁厂和垃圾焚烧厂的废弃余热 产生兆瓦级输出电功率的项目。 • 德国Dresden 科技大学以Wemirl Qu 为首的研究 工作者发明了一种利用铜箔作为介质的微型热电 发电机,能够循环使用将周围环境的热量转化为出 能。