【《温差发电技术的基本原理概述》2600字】

温差发电技术的基本原理概述目录TOC\o"1-3"\h\u1845温差发电技术的基本原理概述 112731.1赛贝克效应 1208991.2珀尔帖效应 3324401.3汤姆逊效应 4203361.4傅里叶效应 5250401.5焦耳效应 5142841.6开尔文关系式 6温差发电装置的电流流经导线和负载电阻产生的热效应和热电材料由于赛贝克效应引起的电效应统称为热电效应，它包含三个可逆效应：赛贝克效应、珀尔帖效应以及汤姆逊效应，它们可由开尔文关系联系在一起，还有不可逆的傅立叶效应和焦耳效应，这两个不可逆效应阻止了热电转换效率的提升。1.1赛贝克效应将两种不同类型的热电材料和外加负载连接成闭合回路时，如果两个结点或者接触面温度发生差异而产生电压差的热电现象通常就被称为赛贝克效应，同时又称作第一热电效应，它由托马斯·约翰·塞贝克于1821年发现。赛贝克通过把两种类型不同的导线相连接构成一个回路，他发现假如两个接触面中的一个保持较高温度T1，另一个保持较低温度T2时，指针会转动，原理示意图如图1.1所示，但误以为是因为温差使金属产生了磁场才导致这种现象的产生，直到奥斯特重新研究了这个现象，才最终称之为“热电效应”。图1.1赛贝克效应原理图记上述原理图中产生的赛贝克电动势为Uab，则可以得到如下表达式：Uab=T其中：Uab:由于温差的存在而在不同的材料间产生的电势，单位:VT1、T2T(x):电偶臂的温度分布函数，单位:K;αab(T):两种材料的赛贝克系数差值，计算式为：α在常物性模型下，当接触面间的温差变化范围不大时，通常取平均温度处的赛贝克系数值作为材料的α值以此来达到简化计算的目的，这时可以推出Uab与温差△T成正比关系，上式又可以表示为：Uab=α因为大多数情况下热电材料的赛贝克系数值特别小，所以经常用的单位是μV/K，。公式中的电势差Uab可以取正值也可以取负值，由热电材料的性质和电偶臂温度梯度的方向来决定，一般规定若电流从热端处由导体B流向导体A,则其赛贝克系数为正值，电势差也为正值。不同材料的赛贝克系数不同，应用的场合也就存在着差异。相对赛贝克系数较小的的热电材料可以用来测量温差，或者当材料的一段温度已知时来测出另一端的温度。倘若材料的相对赛贝克系数较大，则可以用于热电能量的转换。1.2珀尔帖效应赛贝克效应的作用是使热能完成向电能的变换，而珀尔帖效应是它的逆效应，将电能转换为以“冷”或“热”的形式表现出来的能量，可以用在热电制冷器当中，但由于低温下材料的性能会受到影响，所以一般只制作到三级制冷，温度最高可取值100℃。在1834年，法国学者帕尔贴做实验的过程中发现了珀尔帖效应，如图1.1所示，它的具体定义为：在负载两端加上电压后，两个端面分别会出现吸热和放热现象，如果改变回路中的电流方向，则两个端面的吸放热现象会与之相反,这也被称为热电第二效应。它的微观原理为：当两种不同的材料存在电动势时，一种材料中的载流子通过节点进入另一种材料时[21]，需要在节点处产生热振动，以达到新的平衡，因此产生了一端吸热一端放热的现象[22]，它产生的热量与电路中流过电流成线性关系，其表达式如下：Q=πabI表达式中：Q：载流子流经不同材料时，由于热振动所产生的换热量，单位：W；

πab：珀尔帖系数，单位：W/A;

I：电路中流过的电流，单位：A；

如上图1.11.3汤姆逊效应在1856年的时候，英国科学家汤姆逊利用相关原理研究了塞贝克效应和帕尔帖效应间的关系，他认为，在一定条件下，这两个效应所对应的系数间有着不那么复杂的倍数关系。他同时又发现了，当电流在已经存在温差的导体中流动时，热量会被吸收或者被放出。而电流方向和温差之间的相对关系决定了材料在这个过程中是吸收热量还是放出热量，这一现象被叫作汤姆孙效应，又称为第三热电效应[23]。原理图如下图1.2所示，设流过的电流大小为I，沿此方向的温度差为ΔT=T1−TQ=表达式中τ为汤姆逊系数，具体单位为V/K，Q为汤姆逊效应所产生的热量，单位为W;由前文分析可以知道赛贝克效应和帕尔帖效应均出现在不同类型的热电材料交界面处，但是汤姆逊效应和它们不同，因为它只与一种材料的热电性能有关，并且只能发生在其内部。汤姆逊系数与前文所讲的那两个系数相同，都有正负之分，一般认定：当电流流动的方向和温度连续变化的方向相同时，产生的对外吸热现象，则为正值，反之则产生对外放热现象，为负值。它的强弱随着温度梯度沿电流方向的变化率的改变而发生改变，具体来说就是变化率的大小与汤姆逊效应的强弱呈正相关。实质上它就相当于对赛贝克效应作微分运算，总体来说对整个温差发电装置的影响较小，通常可以忽略不计。图1.2汤姆逊效应原理图1.4傅里叶效应傅里叶定律是物理学家傅里叶在实验基础上得到的定律，与热力学有关，但是不是由其它热力学定律推导而来，它的具体表述为:在单位时间内，某个特定方向下，经过某个均匀介质传导的热量与该方向的面积和温度梯度的乘积成正比关系，表达式如下：Qf=式中：

Qf：产生的热量，单位：W;λ：热导率，单位：W/(m×K);

S：与热流流向垂直的面积，单位：m2；

L：沿热流流向的长度，单位：m；TH、T1.5焦耳效应在1841年，英国物理学家焦耳做实验的过程中发现：当导体中流过电流时，会发生能量的转换，有一部分的电能转换成了热能，这样的现象就被称之为焦耳效应，它是伴随着温差电效应产生的一种不可逆效应，无方向之分。单位时间内产生的焦耳热正比于电流的平方和导体电阻的乘积，表达式为：QJ=式中QJ代表的是单位时间内产生的焦耳热，单位为W，I为流通的电流，单位为A，R、ρ、L、S1.6开尔文关系式温差发电器在稳定工作时，前文所论述的五个效应同时发挥作用，最终实现能量的变换，将热能转化为电能。值得让人注意的是，温差电效应中的可逆效应存在一定的关系，汤姆逊利用热力学原理对其进行了深入的研究，确定了描述它们之间关系的开尔文关系式，具体表达式如下：αABαAB表达式（2.7）称作开尔文第一关系式，表达式（2.8）称为开尔文第二关系式，其中τa、τb由