08曹懿-开题报告

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1、华东理工大学硕博连读开题报告中温废热发电热电材料及应用研究中温废热发电热电材料及应用研究第1章课题背景随着世界能源危机的不断加剧，石油，煤炭等常规能源将在不久的将来开采枯竭。自从三次科技革命之后能源成为了国家经济的命脉，但是随着人类生活水平的不断提高，由于常规能源开发中带来的污染问题也越发严重，臭氧空洞、气候变暖、水质污染等等都危害着人类的健康和安全。因此寻找未来可替代的能源以及低品位能源（工业废热余热，地热，太阳能等）的开发与利用成为人们越来越感兴趣的问题。近年来由于在技术上热电材料性能的不断提升，及环保等因素，利用热电转换技术，进一步将大量废热回收转为电能

2、的方式，普遍得到日、美、欧等先进国家的重视。低温余热、废热再利用，增加了热电发电的竞争力，一些新兴应用研究，诸如垃圾焚烧余热、炼钢厂的余热、利用汽车以及发动机尾气的余热进行热电发电，为汽车提供辅助电源的研究也正在进行，并且有部分成果已实际应用，相信在不久的将来会广泛使用。美国全球热电材料公司是全球最大的热电发电器供应商，他们开发过以天然气或丙烷为燃料的发电设备，其产品可发出15-550W的电力，可做为小型发电机及偏远地区电源使用。另外，日本业界如久保田公司开发了一种热电转换装置，能把300℃以下的低废热转换为电能，即把垃圾燃烧时产生的废热通过热交换将其做为高温

3、部分，把工厂管道的冷却水做为低温部分，利用两者温差经热电转换装置即可进行发电，当温差为260℃时，发电功率可达640W。在车辆排气发电方面，尼桑公司研发最为积极，预计利用占总废热30%的排气热能发电，提供发动机辅助电源为发动机提供辅助电能)，每台车约能有200W的电力回充电瓶，可减少5%的燃油支出。在瑞典，其北部利用烧柴取暖炉所产生的热量，可用以发电，并可以替代昂贵的汽油马达发电机。英国的威尔士大学建立了低温废热的原型热电系统。英、德等国研究利用太阳光集热板或聚焦镜方式提供高温热源，如德国DLR公司利用直径1.5米碟型共聚焦器，制成300℃的热源以供热电发电使

4、用。我国的热电研究也逐渐兴起，研制的以天然气为燃料的智能控制温差发电器，作为输气管道阴极保护电源已成功应用于长达6000公里的西气东输工程。1华东理工大学硕博连读开题报告中温废热发电热电材料及应用研究第2章文献综述2.1热电效应及其应用所谓的热电效应，是当受热物体中的电子(洞)，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。而这个效应的大小，则是用称为thermopower(q)的参数来测量，其定义为q=e/-dt(e为因电荷堆积产生的电场，dt则是温度梯度)。1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两

5、接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，这就是热电效应，也称作“塞贝克效应(Seebeckeffect)。Seebeck效应被发现后，人们一直不断探求和开发可能的工业用途。热电偶测温就是最成功的例子。[1]1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，在将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现一个接头变热，另图1Seebeck所用的实验装置一个接头变冷。这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸放热现象。这就是热电制冷的依据。帕尔贴效应与西伯克效应互为反效应。对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流

6、。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。汤姆逊从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆孙效应（Thomsoneffect）。汤姆逊效应是导体两端有温差时产生电势的现象，帕尔帖效应是带电导体的两端产生温差（其中的一端产生热量，另一端吸收热量）

7、的现象，两者结合起来就构成了塞贝克效应。商业上的热电装置一般由18到128个热电单元组成，通过并联或串联的方式连接起来得到所需要的制冷量或发电功率，如图2（c）所示2华东理工大学硕博连读开题报告中温废热发电热电材料及应用研究a)热电制冷原理b)热电发电原理c)热电器件图图2热电发电和制冷原理示意图热电制冷的效率可表述为[2]TC1ZTAVETHTC(1)THTC1ZTAVE1从上式可以看出，决定热电转换器件效率的因素主要有两个：一个是冷热端的温差，另一个就是材料的品质因子Z，其表达式可进一步简化为：2ZS(2)Seebeck系数的影响不言

8、而喻。电导率进入该式主要是由于焦耳热的