热电材料与温差发电器教学教材.ppt

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1、热电材料与温差发电器赛贝克效应——热电第一效应赛贝克效应（Seebeckeffect）：由德国科学家Seebeck于1821年发现两种不同材料AB组成的回路，且两端接触点温度不同时，则在回路中存在电动势的效应不同的金属导体（或半导体）具有不同的自由电子密度，当两种不同的金属导体相互接触时，在接触面上的电子就会扩散以消除电子密度的差异。而电子的扩散速率与接触区的温度成正比，所以只要维持两金属间的温差，就能使电子持续扩散，在两块金属的另两个端点形成稳定的电压.导体两端的电势差：帕尔帖效应——热电第二效应帕尔贴效应（Peltiereffect）：由法国科学家

2、珀尔帖于1834年发现起源于载流子在构成回路的两种导体中的势能差异。当载流子从一种导体通过接头处进入另一种导体时，需要在接头附近与晶格发生能量交换，以达到新的平衡，从而产生吸热与放热现象。两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸放热现象Peltier系数???，单位W/A，V汤姆逊效应——热电第三效应由汤姆逊于1856年发现当单一导体或半导体在两端有温差以及有电流通过时，会在此导体或半导体上产生吸热或放热的现象Thomson效应的起因与Peltier效应非常类似，不同之处在于:在Peltier效应中，载流子的势能差异是构成回路的

3、两导体中载流子势能不同所致，而在Thomson效应中，载流子的能量差异是由温度梯度引起的。βThomson系数，单位V/K热电转化效率与输出功率热电转化效率：定义：输出电功率热端吸收的热量输出电功率：热端吸收的热量：帕尔贴热+传导热-焦耳热令热电优值热电转化效率热电转化效率的影响因素：热端与冷端温度的取值热电优值单一热电材料的优值Z：评价某一热电材料的质量标准Z值有量纲，单位为K-1.无量纲ZT值α赛贝克系数σ电导率k热导率Z值越高，材料性能越好较好的热电材料必须具有较大的Seebeck系数和电导率，同时应有较小的热导率热电材料的发展金属及其合金：电导

4、率高，但根据Wedman一Franze定律，其热导率与电导率之比为常数，而绝大多数金属的seebeck系数只有10μV/K左右，所以由由金属制成的温差电材料性能比较差；ZT一直小于1；半导体热电材料：随着20世纪50年代半导体材料的研究而兴起；一些半导体材料的seebeck系数可高于100μV/K；利用两种以上的半导体形成固溶体，可以有效提高σ/κ；ZT接近并超过1；Bi2Te3类材料普冷温区(热面温度400℃)PbTe类材料中温区(热面温度400-500℃)SiGe合金类材料高温区(700℃以上)热电材料的应用：热电偶测温、半导体制冷、温差发电（太阳

5、能聚焦光电热电同步发电、微燃料燃烧、放射性同位素温差发电、核反应堆温差发电、工业余热、汽车余热）热电材料及器件的特点：无运动部件（除了电子、空穴和晶格振动或者说是声子的运动以外就没有部件的运动）；无流体介质（如冰箱里用氟利昂作为介质）；无噪声无污染；无磨损免维护；热电转化效率偏低，不到10%；要想让热电器件广泛应用于商业，热电材料的ZT值必须接近于3温差发电器温差发电器的构成：热源温差电组件冷源(散热器)外壳整个发电器中要使热源、温差电组件、散热器之间相互电绝缘，在热路上同时要保证有最小的热阻；根据热源的类型和所能达到的最高温度选择合适的温差电材料与组

6、件；根据温差发电器的应用环境和其他条件选择合适的冷端散热方式；温差发电器的整体应具有一定的机械强度，应具有较高的抗冲击振动能力；温差发电器温差发电单体与组件：平板型Bi2Te3温差电组件温差发电器美国所研制的RTG结构：1-同位素热源，2-温差电换能器，3-绝热材料，4-外壳，5-输出接头，6-密封接头图Angel-RTG结构示意图平板结构，温差电元件安装在热源一侧安装方便，成本较低，但热量利用率较低使用碲化铋温差电组件，热面工作温度约在200℃图PbTe－RTG结构示意图１－热源，２－温差电元件，３－传热轴，４－框架，５－外壳，６－散热片美国所研制的

7、RTG结构：已经成功地用于Snap-3、Snap-19、Snap-27等放射性同位素温差发电器中；PbTe基温差电材料，热面工作温度约在400℃；热源置于发电器中心轴，温差电元件分列式辐射状排列在柱体状热源周围；用弹簧-活塞-调整扣组成冷端组合体，温差电单体上加加弹簧压力负载。内部填充低热导率的绝热材料；发电器内部充氩气或混合惰性气体（氪-氢或氦-氩混合气）以抑制温差电材料升华；美国所研制的RTG结构：图GPHS-RTG的结构1-热源支撑件,2-冷却管,3-气体控制构件,4-铝外壳构件,5-通用热源(GPHS),6-主动冷却系统集管,7-压力释放器件,

8、8-RTG安装法兰,9-多层箔绝热材料,10-硅-锗单体,11-热源盒中部支撑件已成功地应用于