2_温差电效应及应用.ppt

1、温差电效应与应用 10级应用物理学 周玉婷,温差电,温差电是研究温度差和电之间的关系的科学，更准确的说是研究热能和电能直接转换的科学。温差电从发现至今已经有一百多年的历史了，但由于金属的温差电效应非常微弱，所以在很长一段时间没得到广泛应用。但自从人们发现用半导体和金属氧化物代替金属可以使温差电效应得到明显提高后，温差电效应的应用翻开了新的一页。目前温差电效应在航空航天、军事和生产生活和的应用得到了很大的发展：特别是在发电和制冷这两个方面，温差发电能够促进能源结构的多元化，缓解能源危机，其具有很强的稳定性且无污染，如放射性同位素温差电源，而在制冷方面与传统的制冷工艺相比，温差制冷具有很大的优势性

2、。 将两种不同的金属相连接，并在两接头处保持不同的温度，电路中就会存在温度梯度和化学势梯度，因而同时产生热流和粒子流，这种情况下就会有三种效应：塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆孙效应。,塞贝克效应,塞贝克效应是塞贝克(Seebeck)在1827年发现的如图所示由金属A、B接成的热电偶在两个接点处保持不同的温度T和 ，实验发现，回路中两接点处将产生电势差，且与两接点处的温度 成正比，即,图1 接触电势差原理图,+,+,A,B,珀尔帖效应,珀尔帖效应是珀尔帖(Peltier)在1834年发现的。如图1所示，将两种金属A，B相连接，并保持其温度恒定不变，当有电流通过电路时，实验发现在一个接点处有热量放出

3、，在另一个接点处则吸收热量。如果将电流方向反向，则原来放热的一端变为吸热，原来吸热的一端就变成放热。以 表示从A流往B的电流密度，单位时间内，单位截面的导线在接点处所吸收的热量为,汤姆逊效应,汤姆逊效应是汤姆逊（Thomson）在1854年发现的，当电流通过具有温度梯度的均匀导体时， 除了放出焦耳热外，导体还需要放出或吸收另外的热量，称为汤姆孙热，以 表示电流密度，在单位时间内，单位体积的导体放出的汤姆孙热为,温差电效应的应用,1 航空航天领域应用 放射性同位素温差发电器是目前唯一适合于外层空间探测的小型航天器电源系统。前苏联和美国是研制和使用同位素温差发电器最多的国家,自1961 年以来,

4、仅美国在太空飞行中使用的同位素温差发电器就达40 个,这些同位素温差发电器的输出功率为2. 7 300W ,最长的工作时间已超过30 年。现在主要依靠放射性同位素发电系统来解决探索器的能源支持问题, 这是因为在远离太阳的地方,不能借助太阳能来支持探测器的飞行,而如果用电池,既增加了飞行器的负担,同时维持的时间又不能满足要求, 甚至稳定性也达不到设计的需要。利用放射性同位素温差发电系统能够解决上述问题。利用温差电技术,一枚硬币大小的放射性同位素热能源能够提供长达二十年以上的时间,2 军事领域的应用 在军事方面,温差电技术也得到了广泛深入的应用,由于温差发电机具有体积小,无震动,无声音等良好的隐蔽

5、性,所以广泛应用于潜艇和情报收集传输的能源支持等方面,美国的导弹定位系统也利用了温差发电技术。温差电技术能够提供信号传输所需要的能源,而不受地域和环境的限制。,3 生产生活中的应用 温差电技术在生产生活中还没有得到大范围的应用,但是已经取得了可喜的进展。温差电技术稳定性好、无需维护的特点使其在发电和输送困难的偏远地区发挥着重要的作用,已用于极地,沙漠,森林等无人区的微波中继站, 无人航标灯等。前苏联从二十世纪六十年代末开始先后制造了1000 多个放射性同位素温差发电机,广泛用于灯塔和导航标志,平均使用寿命长于十年。在我们的日常生活中, 利用废旧的CPU散热片, 可以自制冰啤酒凉杯, 在炎热的夏

6、天,即使停电利用电池的电量也能喝上冰爽的啤酒。,（1）小功率电源 德国科学家最近发明了一种利用人体温差产生电能的新型电池, 可以给便携式的微型电子仪器提供长久的“动力”, 因而免去了充电或更换电池的麻烦。据德国科学画报杂志报道, 德国慕尼黑的一家芯片研发企业研究出的这种新型电池, 主要由一个可感应温差的硅芯片构成。当这种特殊的硅芯片正面“感受”到的温度较之背面温度具有一定温差时,其内部电子就会产生定向流动,从而产生“微量但却足够用的电流”。负责研发这种电池的科学家温纳韦伯介绍说:“只要在人体皮肤与衣服等之间有5 的温差, 就可以利用这种电池为一块普通的腕表提供足够的能量。”科学家介绍,这种新型

7、电池不仅可用于手表、手机、掌上电脑等, 还可为一些医学电子仪器, 如腕戴式血压、脉搏等测量仪器提供能量。,(2) 温差制冷 目前温差制冷技术已经应用于对温差要求不是很高的情况,比如便携式制冷箱。随着社会的发展,人们对冰箱和空调舒适度和方便的要求越来越高,对环境的保护也给予了特别的关注,温差电技术正符合这些要求, 因为这种技术不需要制冷剂,而且没有噪音,能根本上革新传统的利用制冷剂和压缩机来达到致冷的技术。,在电子工业中, 利用温差电技术的半导体致冷器作为低温稳定器, 可用来提高电子元件的性能,特别是在超大规模集成电路广泛应用的今天,可以使电路元件在适宜的温度下工作而又不增加元件的体积。半导体致

8、冷器在小型空调中作冷源,做成小型手提冰箱, 为长途车司机和野外作业人员提供方便,它还可以做成去湿机,快速冷饮机和高温作业人员用的降温头带等。随着其致冷性能不断提高,成本逐渐下降,半导体致冷器必将得到更广泛的应用。,（3） 余热废热发电 随着世界工业化进程的加快, 钢铁厂, 水泥厂,造纸厂,石油冶炼厂,纺织厂等越来越多。在生产过程中,余热和废水排放量也直线上升,利用它们产生的余热来发电可以产生很高的经济效益。这样既实现了能源的有效利用又不需要什么成本,可以说是一本万利。同样的, 在汽车的发动机和排气管上面安装温差发电系统, 把热能转换为电能并用于推动汽车,可以减少燃油消耗,在一定程度上达到节约能

9、源的作用。美国Cardiff 大学的Rowe 教授通过实验发现,利用洗澡后浴缸中剩余水的余热产生电,可以使一台彩色电视机连续工作一小时。,温差电偶测量温度的优点：,测量范围广：可以从4.2K(268.950C)的深低温直至28000C的高温。如液态空气的低温或炼钢炉温(2000)。 测量精度高：因热电偶直接与被测对象接触，不受中间 介质的影响。灵敏度和准确度高(可达103度)，特别是铂姥铂热电偶。 受热面积和热容量可做得很小，如研究小生物体温变化，水银温度计则难于可比。 构造简单，使用方便：热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。 由于热电偶

10、测温是将温度测量转换为电学量的测量，因而非常适用于自动调温和控温系统。,3. 温差电发展所面临的问题及其前景展望 虽然温差电技术有显著的优越性, 但是它的发展却受到一些因素的阻碍。 主要因素是: (1) 成本比较高, 目前其主要应用于不以成本为主要考量的领域,如军事,航空航天等,而在工业,商业或是日常生活用途上还有很长的路要走; (2)热能和电能的转换效率很低, 目前普遍只有5 %左右。 所以, 只有找到一种既成本低廉, 而且转换率又能够得到很大提高的新型材料, 应用才能得到全面的推广。,我国温差能资源蕴藏量大, 在各类海洋能资源中占居首位,且这些资源主要分布的海域具有日照强烈,温差大且稳定,全年可开发利用的特点。另外,由于地表和地下之间的温差较大,所以也蕴藏了丰富的能量。相信在科学家们的进一步研究中,温差电技术一定能够更加成熟,为我们未来的生活带来诸多便利。目前, 人类正面临着能源紧缺和环境恶化的挑战，这为温差电技术的发展提供了千载难逢的机遇。随着我国经济的高速发展,对能源的需求越来越大,同时,世界局势的瞬息万变,这对于像我国这样一个对能源进口占很大比重的国家来说,具有很大的安全隐患。另一方面,可持续发展对环境的保护提出了更高的要求。所以, 我们应该从实际需求出发,加大投入,大力发展温差发电,走出一