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熱電偶發(fā)電和溫差發(fā)電片的效率對比,塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)又稱作第一熱電效應(yīng)

作者:佚名    文章來源:本站原創(chuàng)    點擊數(shù):    更新時間:2024/7/16

一、熱電偶發(fā)電

熱電偶發(fā)電是指利用熱電效應(yīng)將溫差轉(zhuǎn)化為電能的過程。熱電偶發(fā)電依靠的是兩種不同材質(zhì)形成的熱電偶接在一起,熱電偶的一端加熱,另一端為低溫端,兩端之間就會產(chǎn)生電壓差,從而實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化。熱電偶發(fā)電的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,易于制造,但電能轉(zhuǎn)化效率相對較低。

二、溫差發(fā)電片

溫差發(fā)電片是指采用熱電材料和金屬箔交替堆積組成的薄片,在溫差作用下產(chǎn)生電能的一種器件。溫差發(fā)電片主要原理是溫差產(chǎn)生梯度,使熱電材料兩端具有不同的電勢差,從而實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化。溫差發(fā)電片成品具有極高的效率和輸出功率密度,應(yīng)用范圍廣泛。

溫差發(fā)電芯片 

半導(dǎo)體制冷片

▲溫差發(fā)電片的結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體制冷片的結(jié)構(gòu)原理一樣


 

1821年,賽貝克發(fā)現(xiàn),把兩種不同的金屬導(dǎo)體接成閉合電路時,如果把它的兩個接點分別置于溫度不同的兩個環(huán)境中,則電路中就會有電流產(chǎn)生。這一現(xiàn)象稱為塞貝克(Seebeck)效應(yīng),這樣的電路叫做溫差電偶,這種情況下產(chǎn)生電流的電動勢叫做溫差電動勢。例如,鐵與銅的冷接頭為1℃,熱接頭處為100℃,則有5.2mV的溫差電動勢產(chǎn)生。
用半導(dǎo)體制成的溫差電池賽貝克效應(yīng)較強,熱能轉(zhuǎn)化為電能的效率也較高,因此,可將多個這樣的電池組成溫差電堆,作為小功率電源。它的工作原理是,將兩種不同類型的熱電轉(zhuǎn)換材料N型和P型半導(dǎo)體的一端結(jié)合并將其置于高溫狀態(tài),另一端開路并給以低溫時,由于高溫端的熱激發(fā)作用較強,空穴和電子濃度也比低溫端高,在這種載流子濃度梯度的驅(qū)動下,空穴和電子向低溫端擴散,從而在低溫開路端形成電勢差;如果將許多對P型和N型熱電轉(zhuǎn)換材料連接起來組成模塊,就可得到足夠高的電壓,形成一個溫差發(fā)電機。

塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)又稱作第一熱電效應(yīng),是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。一般規(guī)定熱電勢方向為:在熱端電子由負流向正。
熱電現(xiàn)象:在兩種金屬A和B組成的回路中,如果使兩個接觸點的溫度不同,則在回路中將出現(xiàn)電流,稱為熱電流。相應(yīng)的電動勢稱為熱電勢,其方向取決于溫度梯度的方向。
塞貝克效應(yīng)的成因可以簡單解釋為在溫度梯度下導(dǎo)體內(nèi)的載流子從熱端向冷端運動,并在冷端堆積,從而在材料內(nèi)部形成電勢差,同時在該電勢差作用下產(chǎn)生一個反向電荷流,當熱運動的電荷流與內(nèi)部電場達到動態(tài)平衡時,半導(dǎo)體兩端形成穩(wěn)定的溫差電動勢。半導(dǎo)體的溫差電動勢較大,可用作溫差發(fā)電器。

塞貝克效應(yīng),第一熱效應(yīng) 

溫差電技術(shù)研究始于20世紀40年代,于20世紀60年代達到高峰,并成功地在航天器上實現(xiàn)了長時發(fā)電。當時美國能源部的空間與防御動力系統(tǒng)辦公室給出鑒定稱,“溫差發(fā)電已被證明為性能可靠,維修少,可在極端惡劣環(huán)境下長時間工作的動力技術(shù)”。近幾年來,溫差發(fā)電機不僅在軍事和高科技方面,而且在民用方面也表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。
在遠程空間探索方面,人們從上個世紀中葉以來不斷將目標投向更遠的星球,甚至是太陽系以外的遠程空間,這些環(huán)境中太陽能電池很難發(fā)揮作用,而熱源穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)緊湊,性能可靠,壽命長的放射性同位素溫差發(fā)電系統(tǒng)則成為理想的選擇。因為一枚硬幣大小的放射性同位素?zé)嵩矗湍芴峁╅L達20年以上的連續(xù)不斷的電能,從而大大減輕了航天器的負載,這項技術(shù)已先后在阿波羅登月艙、先鋒者、海盜、旅行者、伽利略和尤利西斯號宇宙飛船上得到使用。
此外,據(jù)德國《科學(xué)畫報》雜志報道,來自德國慕尼黑的一家芯片研發(fā)企業(yè)研究出的這種新型電池,主要由一個可感應(yīng)溫差的硅芯片構(gòu)成。當這種特殊的硅芯片正面“感受”到的溫度較之背面溫度具有一定溫差時,其內(nèi)部電子就會產(chǎn)生定向流動,從而產(chǎn)生微電流。負責(zé)研發(fā)這種電池的科學(xué)家溫納·韋伯介紹說,“只要在人體皮膚與衣服等之間有5℃的溫差,就可以利用這種電池為一塊普通的腕表提供足夠的能量”。
雖然溫差發(fā)電已有諸多應(yīng)用,但長久以來受熱電轉(zhuǎn)換效率和較大成本的限制,溫差電技術(shù)向工業(yè)和民用產(chǎn)業(yè)的普及受到很大制約。雖然最近幾年隨著能源與環(huán)境危機的日漸突出,以及一批高性能熱電轉(zhuǎn)換材料的開發(fā)成功,溫差電技術(shù)的研究又重新成為熱點,但突破的希望還是在于轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定提高。可以設(shè)想一下,在溫差電池技術(shù)成熟以后,我們的手機、筆記本電腦電池就可以利用身體與外界的溫度差發(fā)電,而大大延長其使用時間。

 

三、熱電偶發(fā)電和溫差發(fā)電片的效率對比

1、熱電偶發(fā)電的效率取決于熱電偶的材質(zhì)和溫度差異。常見的熱電偶材料有銅-銅鎳、鉻-鋁,效率一般在2%左右。而溫差發(fā)電片的效率取決于熱電材料的選擇和溫差的大小,現(xiàn)在市面上常見的溫差發(fā)電片效率可以達到15%~20%,甚至更高。因此,從效率上來看,溫差發(fā)電片明顯優(yōu)于熱電偶發(fā)電。

2、溫差發(fā)電片發(fā)電效率
‌溫差發(fā)電片的發(fā)電效率通常受到多種因素的影響,包括材料性能、溫差大小、以及技術(shù)發(fā)展水平等。對于純金屬溫差發(fā)電片,其發(fā)電效率可能受到限制,因為純金屬材料本身的熱電性能可能不足以支持高效率的電力轉(zhuǎn)換。例如,早期的溫差發(fā)電機由‌前蘇聯(lián)在1942年研制成功,其發(fā)電效率僅為1.5%至2%。‌

然而,隨著高性能熱電轉(zhuǎn)換材料的開發(fā),溫差發(fā)電技術(shù)的效率有所提高。例如,使用‌碲化鉍等材料制成的溫差發(fā)電片,在特定條件下可能實現(xiàn)更高的效率。盡管目前溫差發(fā)電的效率一般不超過14%,但隨著技術(shù)的進步,有望進一步提高。‌

此外,溫差發(fā)電技術(shù)的實際應(yīng)用中,如‌海洋溫差發(fā)電,其能量轉(zhuǎn)化效率已達到3%至4%,并且有潛力進一步提高至5%至6%甚至更高。這表明溫差發(fā)電技術(shù)在未來有望實現(xiàn)更高的效率和更廣泛的應(yīng)用。

總的來說,熱電偶發(fā)電和溫差發(fā)電片都是應(yīng)用廣泛的溫差發(fā)電技術(shù),但它們的原理和效率有所不同。如果追求效率,溫差發(fā)電片是更好的選擇。

Tags:熱電偶,溫差發(fā)電片,半導(dǎo)體制冷  
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