温差发电技术及其一些应用.pdf

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1、第3O卷第1期能源技术Vo1．3ONo．12009年1月ENERGYTECHNOLOGYJan．2009日皿差发电技术及其一些应用张腾，张征(华南理工大学，广东广州510640)摘要：简要地介绍了温差发电的原理，热电材料方面的研究进展，并对这一技术的应用现状作了综述，指出作为利用热电转换材料将热能转化为电能的绿色发电技术，温差发电技术正引起越来越多的关注。关键词：温差发电；塞贝克效应；应用；优值中图分类号：TM913文献标志码：B文章编号：1005—7439(2009)01—0035—05ThermoelecticGen

2、erationTechnologyandCurrentApplicationZHANGTeIlg，ZHANGZheng(SouthChinaUniversityofTechnologylGuangzhou510640，China)1温差发电的原理温差发电是利用两种连接起来的导电体或者半导体的塞贝克效应(SeebeckEffect)，将热能转换成电能的一种技术。由两种不同类型的半导体构成的回路如图1，当装置的一端处于高温状态另一端置于低温状态下，就会在回路中形成电动势：￡一a(T2一T1)(1)图1温差发电原理图式中：为低

3、温端温度，K；为高温端温，K；a。为所用热电转换材料的塞贝克系数，V／K。在应用时多个PN结串联起来，构成一个热电冷源转换模块(见图2)，目前已有产品面市。例如图3为Hi—Z公司生产的热电转换模块系列，该模块系列能在一2O℃到300℃的温度范围内有效地进行热电转换，输出功率为2．5～19w，负载电压为l-65～3．30VE。热源2热电材料的研究进展图2热电模块结构示意图热电转换模块转换的效率很大程度上决定于其Z一(口)／(2)组成材料的性能，温差发电的电动势不但取决于材式中：口为塞贝克系数，为电导率，为热导率。料的塞贝克

4、系数a。，而且和高低温端间的温差△Tz的量纲为K一，研究分析中优值又常采用优和有关，从而与材料的导热有关，另外输出电流还与值z和工作温度T的无量纲积ZT表征。提高材材料的导电率有关，所以常用热电转换材料的优值料的优值是研究开发高效热电转换材料的主要方么评价材料的热电性能：向，通常有以下几种途径：①选择最佳载流子浓张腾等：温差发电技术及其一些应用了ofH程Seaol~id转Ete《c毽t~C-ic秘#．y醛簿i蹲(3)新的材料制备方法与工艺的研究，如熔体生长法和粉末冶金法，绝缘层和导电层交叉分层r引。麻省理工学院的Hick

5、s和Dresselhaus提出若能在Bi。Te。层状物质的层中插入绝缘层，ZT值则可以增加3倍。目前，Vanka—tasubmanian等人研制的BizTes—SbTe。超晶格材料，其P型样品的ZT值已经超过了2．4L。图3Hi-z生产的热电转换模块系列3温差发电技术的应用度；②提高载流子迁移率与晶格热导率的比；③改3．1空间探索方面变晶体取向；④改变颗粒尺度使颗粒问既能导电同航天器常用的供能方式是太阳能供电，但这种时声子散射又比较显著，促使颗粒定向分布；⑤选方式往往只适用于工作在有一定的太阳辐射量的空择最佳的工作温度及

6、材料的禁带宽度。已有的研究间中的航天器，在太阳能电板接收不到太阳辐射而资料[3]表明，在室温下热电转换材料的优值只要能无法发挥作用时，同位素温差发电器(RTG，Radio-大于3，热电效率就可以达到令人较满意的水平并isotopeThermoelectricgenerator)便成为首选的最可以推广应用。目前热电材料的研究主要集中在以佳替代动力源(图4)。同位素温差发电器利用放射下几个方面。性同位素衰变时产生的热量经塞贝克效应转变成电(1)改进材料微观结构，例如结构纳米化[。能，具有陛能可靠、热源稳定、寿命长和能量密度高

7、通过纳米技术在热电材料中掺人纳米尺寸的杂质相(100kWh／kg)等优点。制备纳米复合结构热电材料l_5](杂质相可为绝缘体、在放射性同位素温差发电器研究应用方面，美半导体或是金属，也可以为纳米尺寸的空洞)，通过国处于领先地位。2003年6月10日和7月7日分调整或者控制掺入杂质的成份、结构和大小得到纳别发射的两个火星探测器(“勇气”和“机遇”号)，米级的新相，达到提高热电材料ZT值的目的。2006年2月18日发射的用于探索冥王星的“新视(2)开发梯度结构材料。功能梯度材料主要有野”号(NewHorizons)行星探测器

8、(图5)，均采用放两种：一种是载流子浓度梯度热电材料，即沿着材料射性元素钚衰变经温差发电器为探测器提供电力，的长度方向载流子浓度被优化，让材料的每一部分其中“勇气”号和“机遇”号上各装配8台Pu放射性在各自的工作区达到最大的优值；另一种是分段复温差发电器，每台发电器能提供1w的电力，以确合梯度热电材料，由不同材料连接