【《温差发电技术基本原理综述》2000字】

温差发电技术基本原理综述目录TOC\o"1-3"\h\u12685温差发电技术基本原理综述 1299441.1 温差发电技术基本理论简介 189001.1.1 塞贝克效应 175291.1.2 帕尔贴效应 273781.1.3 汤姆逊效应 277431.1.4 傅里叶效应 3291661.1.5 焦耳效应 3108001.2 温差发电器的基本结构及原理 31.1 温差发电技术基本理论简介温差发电基本效应五种效应组合而成，为是三种电和热相互转化的可逆效应：塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应，及两种不可逆热效应：傅里叶效应和焦耳效应。温差发电技术的三种热电转化效应之间之间相互影响，这三大效应可以用开尔文关系式统一表达，表达式如下：αd根据上式，有温差热电材料的塞贝克系数和汤姆逊系数间的关系如下：α1.1.1 塞贝克效应1821年，德国科学家塞贝克在研究两种不同金属导体组成的闭合回路系统中，在导体接头处存在温度差时，回路中由于温差产生了电动势，即为塞贝克电动势或者温差电动势。假设有两种不同的热电材料组成了闭合回路，在接头处存在温差∆T=Th−U当接头处的温差∆T=Th−1.1.2 帕尔贴效应帕尔贴效应为当电流经两种半导体组成的闭合回路时，回路导体接触点处将分别吸收热量和放出热量，该热量即为帕尔贴热，帕尔贴热与回路中电流的关系如下：Q=当电流通过接头处时该接头处吸收热量，帕尔贴系数为正，放出热量时帕尔贴系数为负。式中，πAB帕尔贴效应产生的原因是因为载流子在闭合回路的两种导体中的势能不同。载流子从一种导体进入另一种导体时，会在接头处与晶格发生能量交换，即在接头处产生了吸收或放出热量的现象。半导体热电制冷是帕尔贴效应的一个应用实例。1.1.3 汤姆逊效应1856年，汤姆逊预言了汤姆逊效应的存在。金属材料通电后，在该金属材料整体温度不一时，金属材料上除不可逆焦耳热之外，还有另外一种热量即汤姆逊热的产生，表达式如下：Q式中，τ表示汤姆逊系数，单位V/K；I表示电流，单位A。dTdx梯度，单位为K/m。若导体吸热情况下电流方向与温度梯度方向一致，则该系数为正，不一致情况下即为负。汤姆逊效应有别于塞贝克效应、帕尔贴效应之处为后两种效应发生于两者相互接触的材料构成的闭合回路中，与温度和材料特性有关，而汤姆逊效应发生在仅一种均匀导体中，仅涉及到了单一材料的温度及材料特性，汤姆逊系数为材料的自身性质，无需相对于其他材料定义。1.1.4 傅里叶效应傅里叶效应实质为热传导的过程，傅里叶效应与传热面积、温度梯度等有关，表达式如下：Q上式中，QF为傅里叶效应所产生的热量，单位为W；λ、K表示导体的热导率和总热导，单位分别为：WM-1K-1、WK-1；Th、Tc表示热端和冷端的温度，单位为K；A表示与传热方向垂直的截面积，单位为m21.1.5 焦耳效应焦耳效应是伴随着热电效应产生的一种不可逆热效应，不属于热电效应。焦耳效应与电路中电流及金属材料的电阻有关，表达式如下所示：Q式中，QJ表示焦耳效应产生的热量，即焦耳热，单位为W；I表示导体中的电流，单位为；R表示导体电阻，单位为Ω；l表示导体长度，单位为M；ρ表示导体的电阻率，单位为Ω·m；A表示导体的横截面积，单位为m21.2 温差发电器的基本结构及原理温差发电器的主要工作原理即为塞贝克效应，温差发电器实现热能与电能之间的相互转化。这种转化过程的本质是半导体热电材料中载流子及声子的运动及相互作用。P型半导体及N型半导体的热端通过金属导体电极连接，这样就形成了单个的温差电偶，多个电偶与电偶之间采用串联或并联等方式连接，组成温差发电片。温差发电片的主要结构示意图如图2-1所示。在冷端之间加入负载RL并在热端与冷端之间产生温差，负载电阻当中将有电流产生，这便实现了电能与热能的转换。图2-1温差发电片的基本结构对于半导体温差发电材料，热端与冷端之间存在温度差时，由于受到热激发的作用，P型半导体热端空穴平均热运动速率快于冷端，因此空穴由热端处向冷端处扩散，冷端由于空穴数量多而带正电，热端因缺乏空穴而带负电。同时由于电荷分布不均匀，导致导体中产生了自建电场，自建电场的存在阻碍了空穴从热端向冷端的进一步扩散，当导体内部达到静电平衡时，即会产生一定的电动势。N型半导体中载流子的主要类型自由电子，与空穴电荷数相等但电量相反，因此N型半导体内产生的电动势与P型半导体相反。由上述P型和N型半导体所组成的半导体温差发电模块产生的温差电动势为两者绝对值之和。单个P型半导体和N