第八章热电制冷

热电制冷材料的设计及性能研究随着气候变暖，空调、冰箱等冷却设备的使用日益增加，对环境的影响也越来越大。

因此，热电制冷技术备受关注，它可以将废热转化为冷量，减少能源消耗，降低温室气体排放。

而热电制冷材料则是热电制冷技术的关键所在。

本文将介绍热电制冷材料的设计及性能研究。

一、热电材料的基本原理热电材料的基本原理是“塞贝克效应”，即在两种不同材料连接处，如果一个材料中的电子向另一个材料移动，则在这个连接处会产生电压。

这种现象叫做“塞贝克电压”，而产生这种电压的材料就叫做“热电材料”。

热电材料的性能通常用两个参数来表示：热电系数和电阻率。

热电系数是指当两端温度差为1K时，在材料中产生的电压与中间温度的比值。

电阻率则是指材料单位长度内的电阻。

二、热电材料的现状与发展目前，热电材料已经得到了广泛的应用，例如汽车座椅、废热利用等。

但是，现有的热电材料的热电系数较低，效率不高，需要进行进一步的研究和开发。

近年来，研究人员提出了一种新的热电材料设计方法，即采用纳米结构来增强热电性能。

这种方法通过控制材料的晶粒大小和形状，增加界面散射和量子反跳的现象，来提高材料的热电性能。

三、常见热电材料及其性能1.硅锗合金硅锗合金是目前最常用的热电材料之一。

它的热电系数较高，可达到200μV/K，但电阻率较大，约为50μΩ·cm。

硅锗合金的应用范围广泛，可以用于废热利用、能量回收和制作温差发电模块等。

2.铋碲化物铋碲化物是一种新型的热电材料，具有较高的热电系数和较低的电阻率。

它的热电系数可达到380μV/K，而电阻率只有3μΩ·cm。

铋碲化物的应用领域包括电力电子、热电制冷等。

3.碲化锑碲化锑也是一种常用的热电材料，具有较高的热电系数和较低的电阻率。

它的热电系数可达到250μV/K，而电阻率只有6μΩ·cm。

碲化锑的应用范围包括电源管理、热电制冷等。

四、热电材料的性能测试方法1. Seebeck系数Seebeck系数是指当两个电极之间存在温度梯度时，电子从一个电极向另一个电极移动时产生的电压差与温度梯度之比。

热电制冷————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：热电制冷热电效应（Peltier–Seebeck效应）是温度差与电压之间的直接转换，反之亦然。

当每边有不同的温度时，热电装置产生的电压。

反之，当施加给它电压时，它会产生一个温差。

在原子尺度，温度梯度导致材料中的载流子从热端向冷端扩散，类似于古典的气体受热膨胀，因此产生电流。

这种效应可以用来发电、测量温度或改变物体的温度。

由于加热和冷却的方向是取决于施加电压的极性，因此，热电装置是一种有效的温度控制器。

Seebeck效应：温差—→电压 (b) Peltier效应：电压—→温差热电效应（Peltier–Seebeck效应）Seebeck效应：1821年， Seebeck发现，在两种不同金属组成的闭合线路中，如果两接触点的温度不同，其周围使指南针磁铁偏转。

Seebeck最初认为这是由于温差所引起的磁性所致。

进一步实验后，他很快就发现这是由于温差所引起的电流导致的磁铁偏转，而且符合电流感应定律。

更具体地说，温差产生一个电势（电压），它在封闭的回路中产生电流，这种效应被称为Seebeck效应。

Thomas Johann Seebeck, German（1770-1831）Seebeck效应产生的电压与两种材料之间交界处的温度差成正比。

该比例常数被称为Seebeck系数，也通常称为热电势或热电。

该Seebeck 电压不依赖于沿两种材料在两个交界处之间的温度分布。

这种效应是一个热电偶温度计的测温物理基础。

塞贝克效应 (发电)Peltier效应：1834年，法国人Peltier发现，当直流电流通过两种不同导电材料组成的闭合线路时，就会使一个接点变冷，另一个变热。

为了实际应用中加大制冷量，会在两个板块之间安装多组电堆，一块板被冷却，另一块被加热。

Jean Charles Athanase Peltier, French (1785-1845)Peltier效应 (制冷)半导体材料内部结构的特点，决定了它产生的温差电现象比其他金属要显著得多。

热电制冷系统热力学优化分析及节能应用和开发一、本文概述随着全球能源需求的日益增长和环境保护的迫切需求，热电制冷系统作为一种高效、环保的制冷技术，正受到越来越多的关注和研究。

热电制冷技术利用热电材料的热电效应实现热能与电能的相互转换，具有无噪声、无振动、无制冷剂泄漏等优点，因此在许多领域具有广泛的应用前景。

然而，热电制冷系统在能效、成本等方面仍存在一些挑战，限制了其在实际应用中的推广。

本文旨在对热电制冷系统的热力学优化进行深入分析，并探讨其在节能应用和开发方面的潜力。

文章首先介绍了热电制冷技术的基本原理和发展现状，然后重点分析了热电制冷系统的热力学模型和优化方法，包括材料性能优化、系统结构优化、控制策略优化等方面。

在此基础上，文章进一步探讨了热电制冷系统在节能应用和开发中的实际应用案例，如智能家居、数据中心、医疗设备等领域的应用。

通过本文的研究，旨在为热电制冷系统的热力学优化提供理论支持和实践指导，推动热电制冷技术在节能和环保领域的应用和发展。

也希望引起更多研究者和工程师的关注，共同推动热电制冷技术的创新与发展。

二、热电制冷系统热力学基础理论热电制冷，又称热电冷却或佩尔捷效应制冷，是一种基于热电材料（如半导体）中电流和热能之间转换的制冷技术。

这种技术的主要理论基础是热电效应，特别是塞贝克效应和佩尔捷效应。

塞贝克效应描述了当两种不同的导体或半导体连接形成一个闭合回路，并在两个接点处维持不同温度时，回路中将产生电势差的现象。

这个电势差可以通过测量两个接点之间的电压来得到，它的大小取决于两种材料的性质以及接点之间的温度差。

热电制冷系统利用这个效应，通过改变电流方向，使得热量从冷端传递到热端，从而实现制冷效果。

佩尔捷效应则是塞贝克效应的逆过程。

当电流在热电材料中流动时，热量会在材料的两端产生，一端吸热，另一端放热。

通过控制电流的大小和方向，我们可以控制热量在材料两端的分布，从而实现制冷或加热的效果。

热电制冷系统的热力学基础理论主要围绕这两个效应展开。

热电制冷材料的研究进展与应用随着全球气温不断上升，人类对于环境友好型制冷系统的需求越来越迫切。

采用Peltier效应制冷技术的热电制冷器具有低噪音、高效率、易于控制等优点，成为目前最受关注的新型制冷技术之一。

因此，热电制冷材料的研究和应用一直是热点和难点之一。

本文将重点介绍热电制冷材料的研究进展和应用。

一、热电制冷材料研究进展1. 单晶热电材料单晶热电材料是应用最广泛的一种热电材料。

它的热电性能主要取决于其离子晶体结构的电子运动能力。

目前，Bi2Te3和PbTe等材料是最主流的单晶热电材料。

Bi2Te3具有较高的热电性能，耐腐蚀性好，但其制备成本高，半导体材料纯度和结晶质量要求高；PbTe具有较高的热电性能，易于生产，但其稳定性差，并且受到国际环保法律法规的限制。

2. 纳米热电材料与传统单晶热电材料相比，纳米热电材料具有更好的热电性能。

其中，纳米粒子尺寸的改变是影响热电性能的关键因素之一。

纳米材料具有更大的比表面积和更多的电子界面，因此可以增加载流子数量和提高电子迁移率，从而提高热电效率。

研究表明，在一定的纳米尺寸范围内，纳米粒子的尺寸越小，其热电性能越优秀。

3. 多功能复合材料多功能复合材料是由多种不同材料复合而成的一种材料。

与单晶热电材料相比，多功能复合材料的热电性能更优秀，应用更广泛。

例如，FeSb2/CuSb2复合材料具有优异的热电性能和机械性能，具有很高的应用潜力。

二、热电制冷材料的应用1. 热电制冷器热电制冷器是一种新型的制冷器，具有小体积、低噪音、高能效等特点。

热电制冷器的工作原理是利用Peltier效应，将热电材料加热一侧冷却一侧，从而实现制冷。

这种制冷器目前广泛应用于车载冷藏、光电子器件、計算機制冷装置和航空航天等领域。

2. 热电发电热电发电是将废热转化为电能的一种新型发电方式。

采用热电发电技术可以将冶金、工业制造、石化等领域产生的大量废热转换成电能，从而提高能源利用率。

目前，热电发电技术已经应用于太阳能光伏、风力发电、空气能热泵等领域。

《制冷原理与设备》课程教学大纲一、课程基本信息课程代码：050028课程名称：制冷原理与设备英文名称：Principles and Equipment of Refrigeration课程类别：专业课学时：58学分：3.0适用对象: 热能与动力工程专业考核方式：考试，平时成绩占总成绩的30%。

先修课程：工程热力学、传热学、流体力学二、课程简介本课程系是热能与动力工程专业的一门专业课，旨在向学生系统介绍制冷原理和制冷装置，使学生掌握各种制冷循环的组成、特点及热力计算方法，并以蒸汽压缩式制冷为主线进行讲解，原理部分侧重理论分析，设备部分则侧重讲解各种制冷设备的结构、特点及选型计算，同时也为学生进一步学习其它专业课程打下基础。

Principles and Equipment of Refrigeration is one of profession course about Thermal Power engineering. In this course, the refrigeration principle and refrigeration equipment introduced to students. Student will command the characteristic in kinds of refrigeration cycle, thermodynamics calculation. and used the steam compress Refrigeration system to explain in detail. the principle part lays emphasis the theories analyzes, equipments the construction, characteristics that part then lay emphasis to explain in detail the cold equipments in every kind of system and choose the type compute.三、课程性质与教学目的制冷原理是热能与动力工程专业的主干课程。

热电制冷性能的影响因素关键词：影响热电制冷性能的影响因素热电制冷性能由工作参数和电偶本身的材料特性决定。

（1）欲使最佳由式前面内容可知，应使KR最小，并使电压V满足的条件。

则利用上式，按，求出电偶尺寸优化条件为(1)这时，(KR)取得最小值(2)，按，求出工作电压（或工作电流）的优化值（或），以及在该条件下的制冷系数最佳值，；(3)；(4)(5)式中；(6)(7)Z称为电偶的优值系数，它的值只与电偶材料的物理性质（温差电动势率、电阻热导率）有关。

Z是评价电偶热电性能的一个综合参数。

通常，热电偶的优值系数。

当电偶冷端、热端温度分别是，时，依上述计算式(5)可得。

而相同工作温度区间的卡诺制冷系数。

可见，热电制冷的循环效率即使在制冷系数达到最佳值时也只有12%，远不及蒸气压缩式制冷的理论循环效率。

这是由于热电制冷中固体温差电过程的热力学不可逆程度较高。

所以，热电制冷并不是一种能效经济的制冷方式。

（2）欲使制冷能力最佳根据电偶制冷能力的表达式。

可见，电偶的制冷能力与工作电流I有关。

帕尔贴热越大，焦耳热损失越小，则制冷能力越大。

但帕尔贴热与电流成正比，焦耳热与电流的平方成正比，故存在使制冷能力最大的工作电流最佳值。

按的条件，求得(8)该电流下，使得制冷能力最佳。

则有(9)制冷能力表现为制冷量和制冷深度（用制冷温差或冷端温度反映）。

由式(9)可以看出，若冷端负荷减小，则制冷量变小，这时冷端温度将降低或者制冷温差将增大。

到极限情况=0 时，达到最低冷端温度min或最大制冷温差max。

利用式(9)和式(7)得；(10)(11)利用式(10)和式(11)计算不同Z值时，电偶处于制冷能力优化情况下的最大温差和最低冷端温度，见表1。

（3）材料的影响式(5)、(10)和(11)表明，实现工作参数优化后，热电制冷性能――无论是制冷系数还是制冷能力，都只取决于电偶的优值系数Z。

材料是否适合用作热电偶元件，由材料的优值系数z决定。