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1、36工科物理Vol.10No.22000温差发电——一种新型绿色的能源技术何元金陈宏陈默轩(清华大学物理系,北京100084)(收稿日期:2000202221)摘要本文以应用举例介绍了温差发电的原理,对这一领域国际发展状况进行了简要的综述和评论.关键词塞贝克效应;温差发电THERMOELECTRICELECTRICITYGENERATION——ANEWGREENENERGYTECHNIQUEHeYuanjinChenHongChenMoxuan(DepartmentofPhysics,TsinghuaUniversity,Beijing100
2、084)AbstractInthispapertheprincipleofthermoelectricgeneratorisillustratedwithpracticalapplications.Thestateoftheartofthisfieldisbrieflyreviewed.KeyWordsthermoelectricity;Seebeckeffect1节能与环保—21世纪人类面临的严重挑2温差发电战211塞贝克(Seebeck)效应节能与环保是21世纪人类面临的严重设有两种半导体“A”和“B”在一端结合在问题.中国正处在持续发展
3、的关键阶段,开发一起并处于高温状态T2(热端),而另一端开新能源和充分利用低品位能源、废能源具有路且处于低温(T1)状态(冷端),则在冷端存重大意义.同时,通过节能可以节约大量燃在开路电压$V(图1),这一效应称为塞贝克料,对于降低我国在二氧化碳,二氧化硫和氮(Seebeck)效应,该效应以Seebeck命名是为氧化物的排放都具有直接的影响.我国在各了纪念它的发现者德国科学家T.J.Seebeck种工业过程中存在大量的热能浪费现象,发(1770～1831年).Seebeck电压$V与热冷两展各种环境友好的节能技术,是十分重要的.端的温度差$T
4、成正比,即温差发电是一种新型的发电方式,具有$V=As$T=As(T2-T1)清洁,无噪音污染和有害物质排放,高效,寿其中As是塞贝克参数,其单位是VöK(或更命长,坚固,可靠性高,稳定等一系列优点,符常用的单位LVöK).Seebeck系数是由材料合绿色环保要求,对国民经济的可持续发展本身的电子能带结构决定的.以非简亻并半导具有重要的战略意义.体硅Si为例,当材料内部存在温度梯度时,载工科物理Vol.10No.2200037表达式,不过符号变成正值.表1给出一些常见材料的As值.表1常见材料的塞贝克系数塞贝克系数材料备注(LVöK)260P
5、typeBi2Te3-270NtypeSb2Te3133PBi2Se3-77N图1塞贝克(Seebeck)效应380PPbTe-320N流子的空间分布和运动规律可用Maxwell2Si0180Ge0120540PBoltzmann输运方程来描述,这时半导体内部B4C250P(1273K)有几个主要的因素制约着Seebeck系数的大值得指出的是,从应用的角度讲,决定一小.其一是,随着温度的升高,硅的本征导电种半导体热电材料的优劣不能仅凭其塞贝克过程变得更为重要,即载流子浓度增大;其二系数的大小,还必须综合考虑其电导率,热导是随着温度升高,载流子
6、的平均速度增大,导率等诸多因素.目前最常用的一个参数是材致电荷在冷端的积累;另外,载流子的散射是料的优值Z,其定义为Z=A2sRök,这里As是与能量(亦即温度)有关的,有可能导致载流Seebeck系数,R是电导率,k是热导率.此外,子在硅的冷端或热端的积累,究竟载流子是尚有无量纲优值(ZT)常用于表征热电材料的在哪一端积累取决于下面两个相反的机制哪性能,这里T是绝对温度.一个占支配地位,是热载流子比冷载流子更自从本世纪60年代,较高优值的半导体易于运动呢,还是热载流子会被增强的散射材料被发现以后,热电材料的应用研究开始所捕获.最后,硅中的温
7、度差引起声子从热端引起人们的高度重视.利用热电效应制成的到冷端的净流动,在一定的温度范围内(10～温差发电机,具有使用方便,安全可靠,无污500K),对于非简亻并硅,在声学声子和载流子染等诸多优点.利用帕尔帖效应制成的固体之间可能会发生动量转移.由于存在净的从制冷器,体积小,重量轻,无污染,目前已在医热端指向冷端的声子动量,这将拖曳载流子疗器械、红外器件、电子器件的温控上得到了向冷端运动.综合考虑上述因素,N型非简亻并应用.目前,温差发电器存在的问题是能量转Si半导体中总的Seebeck系数可近似表示为:换效率较低.而半导体制冷器存在的问题是
8、kAs=-{ln(Ncön)+215+r+Un}(3)耗电量过大,价格亦较昂贵,以上缺点主要是e其中e为电子电荷,k是Boltzmann常数,Nc由于材料性能不理想
