下载文档原格式
温差发电技术及其一些应用来源：能源技术2009-5-121 温差发电的原理温差发电是利用两种连接起来的导电体或者半导体的塞贝克效应（Seebeck Effect），将热能转换成电能的一种技术。
由两种不同类型的半导体构成的回路如图1，当装置的一端处于高温状态另一端置于低温状态下，就会在回路中形成电动势：ε = αs （T1-T2）（1）式中：T1为低温度端温度，K；T2为高温端温度，K；αs为所用热电转换材料的塞贝克系数，V/K。
图1 温差发电原理图（点击图片放大）在应用时多个PN结串联起来，构成一个热电转换模块（见图2），目前已有产品面市。
例如图3为Hi-z公司生产的热电转换模块系列，该模块系列能在-20℃到300℃的温度范围内有效地进行热电转换，输出功率为2.5~19W，负载电压为1.65~3.30V。
图2 热电模块结构示意图（点击图片放大）图3 Hi-z生产的热电转换模块系列（点击图片放大）2 热电材料的研究进展热电转换模块转换的效率很大程度上决定于其组成材料的性能，温差发电的电动势不但取决于材料的塞贝克系数α，而且和高低温端间的温差△T和有关，s从而与材料的导热有关，另外输出电流还与材料的导电率有关，所以常用热电转换材料的优值Z评价材料的热电性能：Z=（αs）2σ/λ （2）式中：αs为塞贝克系数，σ为电导率，λ为热导率。
Z的量纲为K-1，研究分析中优值又常采用优值Z和工作温度T的无量纲ZT 表征。
提高材料的优值是研究开发高效热电转换材料的主要方向，通常有以下几种途径：①选择最佳载流子度；②提高载流子迁移率与晶格热导率的比；③改变晶体取向；④改变颗粒尺度使颗粒间既能导电同时声子散射又比较显著，促使颗粒定向分布；⑤选择最佳的工作温度及材料的禁带宽度。
已有的研究资料表明，在室温下热电转换材料的优值只要能大于3，热电效率就可以达到令人较满意的水平并可以推广应用。
目前热电材料的研究主要集中在以下几个方面。
半导体发电原理
半导体发电原理是利用半导体材料的特性，在光照、热等外界因素的作用下产生电能的现象。
其工作原理可以分为光伏效应和热电效应两种。
光伏效应是指在半导体材料中，当光线照射到材料表面时，光子能量被半导体吸收，使得近导带中的电子被激发到远离导带的价带中，形成电子-空穴对。
这些自由电子和空穴在半导体内部运动时，可以通过电场力的作用被收集，从而形成电流。
这就是光伏效应产生的原理。
热电效应是指当温度梯度存在于半导体材料中时，材料中的热运动的电子也会受到导带和价带的能级结构所约束，在温度梯度的作用下，电子会沿着电场方向进行扩散。
这样产生的电流被称为热电流。
热电效应产生的原理与材料内部的自由电子的热运动有关。
在半导体材料中，通常使用硅(Si)和锗(Ge)等材料作为光伏器件的基础材料。
这些材料经过特殊的处理和掺杂，形成PN结构，通过引入不同的掺杂材料，可以得到不同的电子-空穴激发、传导和收集机制，从而实现更高的转化效率。
半导体发电技术具有可靠性高、环保、稳定性好等优点，被广泛应用于太阳能电池、热电堆、热电发电机等领域。
随着科技的不断进步，半导体发电技术也在不断发展和完善，为可再生能源领域的发展做出了重要贡献。
温差发电是一种合理利用余热、太阳能、地热等低品位能源转换成为电能的有效方式。
温差发电具有结构简单，坚固耐用，无运动部件，无噪音等特点。
目前在国外已广泛研究。
使用普通化石燃料作热源以形成温差发电器的实用系统首推美国专为野外使用而发展的军用电源。
它们以各类军队常用的燃油燃烧产生的热量为热源转换为供给战场、尤其是前沿阵地各种电器设备的电能。
由于在这些环境中低噪声、能快速启动、能长期连续工作、易携带、维护方便、后勤保障便利等是使用方首要的考虑，在这些方面，温差电转换发电器大大优于常用的内燃式驱动发电机和化学蓄电池。
1988年美国生产了一种外型尺寸为41.2cmX42.2cmX27.3cm的燃烧式温差发电器,该设备的发电元件由120对热电偶组成,可使用多种军用燃油,一次装载后连续工作12小时,产生13.1V直流电压,向负载提供120W的电功率。
2温差电技术的应用随着环保意识的加强以及对传统能源未来匮缺的担心，充分利用余热发电的技术手段日益受到关注。
2003年黎巴嫩大学的学者将温差电发电器的热端与该国的一种做饭用的火炉外壁连接，冷端置于空气中，利用炉壁的高温与环境的温差来发电。
其实验中所使用的温差电元件即产自中国，因为中国的元件性价比最高，该设备实验中单片元件可产生4W的电功率。
中国目前已成为世界上最大的温差电元件生产出口国，这为我国未来温差电的广泛应用打下了坚实的基础。
2.2太阳能和地热能热源太阳能和地热能是新能源体系的主要组成部分，它们无污染，而且可以认为是无匮缺的长期资源。
太阳能利用最为方便的形式是集热，通过集热后产生的温差即可用于发电。
2004年泰国学者通过利用置于屋顶的铜板吸收太阳能集热升温与环境之间的温差发电带动轴流风机引导屋顶空气自然对流从而达到给屋顶降温的效果。
2.3放射性同位素热源对于需要长时间不间断供电而且无须人工维护的应用，温差电转换发电是一种较为理想的选择。
所剩下的主要问题就是要寻找一个同样是体积小、寿命长的相应热源。
(200-温差发电片、温差发电机、半导体温差发电技术专利资料1、半导体温差发电装置的研制温差发电是一种绿色环保的能源技术。
这种全固态能量转换方式无噪音、 无磨损、无污染物排放、体积小、重量轻、携带方便、使用寿命长、无需人工 维护。
基于上述优点，该项技术在国外已广泛应用于航天和军事等领域。
我国 的温差电研究在致冷方面的应用比较成熟，而在发电方面的进展相对缓慢。
本 文基于塞贝克效应设计了一种在实验室中实现的低温差的发电实验，对比实验 中不同温差、不同冷却情况的输出电能，给出单个发电模块和两个发电模块串 联的输出电压与温差对应关系，简化计算了功率输出状况，指出单个发电组件 的模 共 50 页2、半导体温差发电模块热分析与优化设计对半导体温差发电模块的实际传热模型进行了分析，得到了模型中的内、 外热阻分布情况，特别对接触热阻对模块的影响进行了分析。
对模块稳态和非 稳态温差发电过程进行了热分析，得出了稳态发电过程中电偶臂内的温度分布 和非稳态发电过程中电偶臂内的温度和温差电流随时间的变化，并分析了内部 和外部因素对非稳态发电过程的影响，比如接触因素、热源、热沉换热系数、 环境温度、电偶臂长和截面积等。
还对半导体温差发电模块进行 ........................................ 58页3、集热式太阳能温差发电装置的研究温差发电技术是一种将热能直接转换为电能的环保能源技术，在发电过程 中无噪音、无污染物排放、体积小、重量轻等优点。
随着热电材料的迅速发展 以及性能的提高，已经开始从军事航天领域向民用和工业应用方面普及。
本课 题中，采用ANS 丫锹件，研究温差发电元件的性能，并仿真优化在中温区 400 C ）有较高热电转换效率的分段温差电元件。
在此基础上，利用太阳能热作 为温差发电的热源，研制一套集热式太阳能温差发电装置，主要包括 .................................. 共 48 页4、LNG 冷能利用与低温半导体温差发电研究设计并建立了一套利用LNG 低温冷能温差发电并联合电解水制氢的实验装 置。
太阳能光伏—温差联合发电系统效率分析太阳能光伏—温差联合发电是为了节约化石类能源、改善人类生存环境而提出的一种利用太阳能的发电形式。
联合发电绿色环保，可以更大程度的利用太阳能，发电同时可保护光伏电池因温度过高而烧坏，因此联合发电系统的效率及其使用价值备受人们关注[1]，本文主要从能量角度对联合发电效率进行分析，找出影响联合发电效率的因素，并分析了目前人们所采取的提高效率的措施。
标签：光伏—温差联合发电；效率；措施太阳能光伏—温差发电与传统发电相比优点诸多，唯独发电效率不理想，如何提高其效率受到了人们长期关注，下面从能量角度出发，计算分析影响光伏—温差发电效率的因素，为提高其发电效率提供理论依据。
1.1 光伏—温差联合发电能量传递及转换的数量关系光伏—温差联合发电过程是低品位能量向高品位能量转化的过程，其传递及转换过程示意图，如图1所示：从上式可得出影响温差发电效率的因素有优值系数，温差发电模块冷热端温差及负载等，当负载为定值时，效率与温差关系如图3所示。
从图3可看出，随着温差的增大，效率呈直线趋势增加，故提高效率可从温差入手。
温差一定，优值系数与负载对效率的影响如图4所示其它条件一定是，优值系数Z越大，温差发电模块效率越高；负载对温差发电模块效率的影响随优值系数的不同，结果也不同，但每一优值系数存在最佳负载，使模块工作效率达到最大。
1.4 太阳能光伏—温差联合发电装置输出功率及效率将以上公式联立求解，既得联合发电装置的输出功率及发电效率。
从式（1-14）可得出，投入能量一定时，光伏发电和温差发电任一部分的功率大小都会影响联合发电的效率[5]。
基于以上计算，关于联合发电效率的提高作一点分析说明。
2 太阳能光伏—温差联合发电发展前景及提高效率的几点分析太阳能光伏—温差联合发电与传统发电相比，具有许多优点，如提高了太阳能发电的效率和寿命，方式灵活，可将低品位能量转化为高品位能量，对能源利用率高，生产过程中无化学反应，对环境污染小，且整体装置结构简单、体积小，移动、运输方便，装置无运动部件，无噪音，维护运行方便等。
温差发电材料温差发电材料是指利用温度差异产生的电力的材料。
温差发电的基本原理是通过将两个温度不同的物体放置在不同的热环境中，从而产生电流。
这是一种非常环保的发电方式，因为它不需要燃烧任何化石燃料。
现代温差发电技术基于热电效应，这意味着一些材料会在温度变化时产生电势差。
这是由材料本身的一些特性引起的，比如热传导率和导电率。
朗缪尔定律描述了热电效应可以转换成电势差的方法，从而产生电流。
温差发电材料的种类非常多，其中最常见的是锗、硅和碲。
这些材料可以被用于制造温差发电器件，这些器件可以将温度差转换成电能。
一些温差发电器件可以将20摄氏度的温差转换成1V的电压。
这意味着即使是非常小的温差也可以产生一定的电能。
温差发电技术的应用非常广泛，可以用于发电设备的无源控制、测量仪器的电源、电子设备的电源等方面。
此外，温差发电技术还可以被用于传感器和微处理器的能量供应，从而延长其使用寿命。
更重要的是，温差发电技术的环保特性使其可以在未来的能源供应中发挥重要作用。
锗是一种典型的温差发电材料，因为它具有较高的热电性能和热电系数。
研究显示，锗可以用于温差发电器的元件制造。
此外，锗还可以被用于太阳能电池板的制造，用于能量的收集和存储。
碲是另一种常见的温差发电材料，它的热电效应非常强。
碲具有比锗更好的热电性能，并且可以承受更高的电压和电流。
因此，它被广泛用于温差发电器件的制造。
此外，碲还可以被用于半导体中，这对于制造高性能计算机时非常有用。
总的来说，温差发电技术具有极高的潜在应用前景。
由于温差发电器件具有非常高的性能和可靠性，它们可以在未来的电力系统和电子设备中大量出现。
在未来，温差发电技术有可能成为主要的、可持续的能源来源。
新型半导体温差发电技术在实验室中的实现温差半导体发电技术的原理主要来源于塞贝克（Seebeck）效应，将P型和N型两种不同类型的热电材料（P型是富空穴材料，N型是富电子材料）一端相连形成一个PN结，置于高温状态，另一端形成低温，则由于热激发作用，P（N）型材料高温端空穴（电子）浓度高于低温端，因此在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就开始向低温端扩散，从而形成电动势，这样热电材料就通过高低温端间的温差完成了将高温端输入的热能直接转化成电能的过程。
单独的一个PN结可形成的电动势很小，而如果将很多这样的PN结串联起来，就可以得到足够高的电压，成为一个温差发电器。
我们选取热电转换效率较高的材料，进行实验，具体实验如下所述。
一、实验的物理模型每种热电材料在一定的温度变化范围内具有较高的热电转换效率，我们在选择实验材料的时候首先考虑了材料的优值系数，最终我们选用Bi2Te3，因为在中低温区域，它的优值系数的平均值高且稳定。
实验模型由1对碲化铋基p-n热电元件、铜制导电片（即电极）和导热基底组成温差发电模块物理模型，结构如图1所示，更高的输出功率可由这样的单元串联得到。
p型和n型热电元件均采用长宽高分别为0.7mm、0.7mm、1.2mm的立方体，2种热电元件由铜制导电片（.4mm）串联联结，两原件间隔1mm，上、下陶瓷导热基底（1mm）起绝缘及导热作用，热源和热沉的温度分别为tn=100℃（沸水加热）和tc=0℃（冰水混合物水冷系统）。
二、实验测试为验证物理模型，本文建立了简易的实验测试装置。
该装置包含比例积分微分（PID）热电器件、电加热板、可调负载电阻、循环水冷却单元（包括储水箱、循环泵、热沉（水冷头））、热电偶和测温仪表、电压计和电流计、导电线路等，其基本结构如图2所示，热电器件采用商用TEHP1-12635-1.2 型，通过调节冷却水的流量实现冷端温度的控制。
设置数值计算中单元模块几何构型与商用器件的相同，单元模块输出功率的计算结果乘以商用器件中的单元数量（126 对）即为实际输出功率。
