热电材料与温差发电器

热电材料与温差发电器第1页/共26页热电效应热电效应赛贝克效应帕尔帖效应汤姆逊效应第2页/共26页赛贝克效应——热电第一效应赛贝克效应（Seebeckeffect）：由德国科学家Seebeck于1821年发现两种不同材料AB组成的回路，且两端接触点温度不同时，则在回路中存在电动势的效应不同的金属导体（或半导体）具有不同的自由电子密度，当两种不同的金属导体相互接触时，在接触面上的电子就会扩散以消除电子密度的差异。而电子的扩散速率与接触区的温度成正比，所以只要维持两金属间的温差，就能使电子持续扩散，在两块金属的另两个端点形成稳定的电压.

导体两端的电势差：第3页/共26页帕尔帖效应——热电第二效应帕尔贴效应（Peltiereffect）：由法国科学家珀尔帖于1834年发现起源于载流子在构成回路的两种导体中的势能差异。当载流子从一种导体通过接头处进入另一种导体时，需要在接头附近与晶格发生能量交换，以达到新的平衡，从而产生吸热与放热现象。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Peltier系数𝜋𝑎𝑏，单位W/A，V

第4页/共26页汤姆逊效应——热电第三效应由汤姆逊于1856年发现当单一导体或半导体在两端有温差以及有电流通过时，会在此导体或半导体上产生吸热或放热的现象Thomson效应的起因与Peltier效应非常类似，不同之处在于:在Peltier效应中，载流子的势能差异是构成回路的两导体中载流子势能不同所致，而在Thomson效应中，载流子的能量差异是由温度梯度引起的。β

Thomson系数，单位V/K

第5页/共26页第6页/共26页热电转化效率与输出功率热电转化效率：定义：输出电功率热端吸收的热量输出电功率：热端吸收的热量：帕尔贴热+传导热-焦耳热令热电优值第7页/共26页热电转化效率热电转化效率的影响因素：热端与冷端温度的取值热电优值单一热电材料的优值Z：评价某一热电材料的质量标准Z值有量纲，单位为K-1.无量纲ZT值α

赛贝克系数σ

电导率k热导率Z值越高，材料性能越好较好的热电材料必须具有较大的Seebeck系数和电导率，同时应有较小的热导率第8页/共26页第9页/共26页热电材料的发展金属及其合金：

电导率高，但根据Wedman一Franze定律，其热导率与电导率之比为常数，而绝大多数金属的seebeck系数只有10μV/K左右，所以由由金属制成的温差电材料性能比较差；ZT

一直小于1；半导体热电材料：随着20世纪50年代半导体材料的研究而兴起；一些半导体材料的seebeck系数可高于100μV/K；利用两种以上的半导体形成固溶体，可以有效提高σ/κ；ZT

接近并超过1；Bi2Te3类材料普冷温区(热面温度400℃)PbTe类材料中温区(热面温度400-500℃)SiGe合金类材料高温区(700℃以上)第10页/共26页第11页/共26页第12页/共26页热电材料的应用：热电偶测温、半导体制冷、温差发电（太阳能聚焦光电热电同步发电、微燃料燃烧、放射性同位素温差发电、核反应堆温差发电、工业余热、汽车余热）热电材料及器件的特点：无运动部件（除了电子、空穴和晶格振动或者说是声子的运动以外就没有部件的运动）；无流体介质（如冰箱里用氟利昂作为介质）；无噪声无污染；无磨损免维护；热电转化效率偏低，不到10%；要想让热电器件广泛应用于商业，热电材料的ZT值必须接近于3第13页/共26页温差发电器温差发电器的构成：热源温差电组件冷源(散热器)外壳整个发电器中要使热源、温差电组件、散热器之间相互电绝缘，在热路上同时要保证有最小的热阻；根据热源的类型和所能达到的最高温度选择合适的温差电材料与组件；根据温差发电器的应用环境和其他条件选择合适的冷端散热方式；温差发电器的整体应具有一定的机械强度，应具有较高的抗冲击振动能力；第14页/共26页温差发电器温差发电单体与组件：平板型Bi2Te3温差电组件第15页/共26页温差发电器美国所研制的RTG结构：1-同位素热源，2-温差电换能器，3-绝热材料，4-外壳，5-输出接头，6-密封接头图

Angel-RTG结构示意图平板结构，温差电元件安装在热源一侧安装方便，成本较低，但热量利用率较低使用碲化铋温差电组件，热面工作温度约在200℃第16页/共26页图

PbTe－RTG结构示意图１－热源，２－温差电元件，３－传热轴，４－框架，５－外壳，６－散热片美国所研制的RTG结构：已经成功地用于Snap-3、Snap-19、Snap-27等放射性同位素温差发电器中；PbTe基温差电材料，热面工作温度约在400℃；热源置于发电器中心轴，温差电元件分列式辐射状排列在柱体状热源周围；用弹簧-活塞-调整扣组成冷端组合体，温差电单体上加加弹簧压力负载。内部填充低热导率的绝热材料；发电器内部充氩气或混合惰性气体（氪-氢或氦-氩混合气）以抑制温差电材料升华；第17页/共26页美国所研制的RTG结构：图

GPHS-RTG的结构1-热源支撑件,2-冷却管,3-气体控制构件,4-铝外壳构件,5-通用热源(GPHS),6-主动冷却系统集管,7-压力释放器件,8-RTG安装法兰,9-多层箔绝热材料,10-硅-锗单体,11-热源盒中部支撑件已成功地应用于加利略、尤利西斯、卡西尼、新视野号等空间工程中；采用可卸式锗-硅温差电单体，热面工作温度约在800℃；采用了热源中心型温差电元件分列式结构；采用通用热源模块GPHS，结构较灵活，热源与温差电组件均可拆卸；发电器内采用钼箔和加钼遮光石英纸交迭组成的多层箔绝热材料；第18页/共26页温差发电器性能和应用开路电压、输出电功率、效率、功率衰减率、重量、体积、重量比功率和可靠性等性能参数：应用：RTG作为航天器电源；地面和海洋开发中应用：主要用于灯塔、航标、海底声纳、海底微波中继站、自动气象站和地震测试站电源；燃气温差发电器已经在世界许多国家的输油、输气管线、通讯网络上获得了应用低级热，包括工业废热、垃圾燃烧热、汽车排气管的余热、太阳热、地热、海洋热能的利用；第19页/共26页温差发电器热电性能测试平台第20页/共26页第21页/共26页电加热热源单元：低压直流电源+数字电流表+数字电压表+电加热管+导热块+绝热膜第22页/共26页循环水冷单元：由恒温储水箱，循环水泵，吸热盒，散热器及硅胶水管管路组成。数据采集及处理单元：有12个温度通道和4个电压通道；温度通道可根据需要更改传感器类型，电压通道里其中两个的测