熱電轉(zhuǎn)換材料

1、1第二節(jié)第二節(jié) 熱電轉(zhuǎn)換材料熱電轉(zhuǎn)換材料太陽(yáng)輻射到地球的熱太陽(yáng)輻射到地球的熱可利用適當(dāng)?shù)牟牧峡衫眠m當(dāng)?shù)牟牧线M(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換加以加以.熱電轉(zhuǎn)換材料熱電轉(zhuǎn)換材料還廣泛應(yīng)用于、還廣泛應(yīng)用于、制冷制冷等方面等方面.一一.熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)：熱電效應(yīng)：在在用不同導(dǎo)體用不同導(dǎo)體構(gòu)成的構(gòu)成的閉合電路中閉合電路中，若使其，若使其結(jié)合部位結(jié)合部位出現(xiàn)溫度差出現(xiàn)溫度差，則在此閉合電路中將有則在此閉合電路中將有熱電流流過(guò)熱電流流過(guò)，或，或產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，此現(xiàn)象稱(chēng)，此現(xiàn)象稱(chēng)熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)有三種熱電效應(yīng)有三種： 塞貝克塞貝克(seebeck)效應(yīng)效應(yīng) 帕耳帖帕耳帖(peltier)效

2、應(yīng)效應(yīng) (thomson)效應(yīng)效應(yīng)（一）塞貝克（一）塞貝克(seebeck)效應(yīng)：效應(yīng)：21821年塞貝克年塞貝克(tjseebeck)發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種兩種不同的金屬不同的金屬a、b組成組成回路，且回路，且兩接觸點(diǎn)的兩接觸點(diǎn)的溫度不同時(shí)溫度不同時(shí)，在回路，在回路中中產(chǎn)生電流產(chǎn)生電流，這稱(chēng)為，這稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)當(dāng)兩接觸點(diǎn)的溫差較小當(dāng)兩接觸點(diǎn)的溫差較小時(shí)，回路中的時(shí)，回路中的電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì) eab與溫差有與溫差有線性關(guān)系：線性關(guān)系： eab =sab t t兩接觸點(diǎn)的溫差，兩接觸點(diǎn)的溫差，sab相對(duì)相對(duì)塞貝克系數(shù)塞貝克系數(shù)，sab = sa - sbsa 、 sb金屬金屬a 、金金屬屬b的的

3、絕對(duì)塞貝克系數(shù)絕對(duì)塞貝克系數(shù)3 將回路斷開(kāi)，在斷開(kāi)處將回路斷開(kāi)，在斷開(kāi)處a 、b間便出現(xiàn)一個(gè)間便出現(xiàn)一個(gè)電動(dòng)勢(shì)差電動(dòng)勢(shì)差，即，即 vvb-va，其極性和量值其極性和量值與回路中的熱電動(dòng)勢(shì)一致與回路中的熱電動(dòng)勢(shì)一致（二）帕耳帖（二）帕耳帖(peltier)效應(yīng)：效應(yīng)： 1834年帕耳帖年帕耳帖(j.c.a. peltier)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種兩種不同金屬不同金屬組成回路組成回路并并有電流有電流(不管不管是是熱電流熱電流還是還是外加的電流外加的電流）在回路中流過(guò)時(shí)，在兩種金屬的）在回路中流過(guò)時(shí)，在兩種金屬的一個(gè)接點(diǎn)處一個(gè)接點(diǎn)處放出放出熱量熱量，而在，而在另一個(gè)接點(diǎn)處另一個(gè)接點(diǎn)處吸收熱量吸收熱量改

4、變電流的方向，則吸、放熱的接點(diǎn)也改變電流的方向，則吸、放熱的接點(diǎn)也對(duì)調(diào)這種效應(yīng)稱(chēng)對(duì)調(diào)這種效應(yīng)稱(chēng)帕耳帖帕耳帖 (peltier) 效應(yīng)效應(yīng)它滿足下式：它滿足下式：qab = ab iqab接點(diǎn)處接點(diǎn)處吸收帕耳帖熱的吸收帕耳帖熱的速率速率； ab 金屬金屬a和和b間間相對(duì)相對(duì)帕耳帖系數(shù)帕耳帖系數(shù)； i通過(guò)的電流通過(guò)的電流強(qiáng)度強(qiáng)度 ab = a - b a 、 b 分別是金屬分別是金屬a和金屬和金屬b的的絕對(duì)絕對(duì)帕耳帖系數(shù)帕耳帖系數(shù)t1 - tt2 + tab帕耳帖帕耳帖(peltier)效應(yīng)效應(yīng)吸熱吸熱放熱放熱4（三）湯姆遜（三）湯姆遜(thomson)效應(yīng)效應(yīng)1851年湯姆遜根據(jù)熱力學(xué)理論，年湯

5、姆遜根據(jù)熱力學(xué)理論，證明證明帕耳帖效應(yīng)帕耳帖效應(yīng)是是塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)的的逆過(guò)程逆過(guò)程并預(yù)測(cè)并預(yù)測(cè)，當(dāng)，當(dāng)具有具有溫溫度梯度度梯度的一根均勻?qū)w的一根均勻?qū)w通過(guò)電通過(guò)電流時(shí)流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生，會(huì)產(chǎn)生吸熱吸熱和和放熱放熱現(xiàn)象現(xiàn)象這就是這就是湯姆遜湯姆遜(thomson)效應(yīng)效應(yīng)如右圖：一根均勻的導(dǎo)體在某如右圖：一根均勻的導(dǎo)體在某一點(diǎn)一點(diǎn)o加熱至加熱至t2溫度，兩端點(diǎn)溫度，兩端點(diǎn)p1 、 p2點(diǎn)溫度相同且為點(diǎn)溫度相同且為t1 （圖（圖(a)）如果這均一的導(dǎo)）如果這均一的導(dǎo)體構(gòu)成體構(gòu)成回路回路（圖（圖(b)） ，當(dāng)有當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)電流通過(guò)時(shí)，則，則p1 、 p2點(diǎn)會(huì)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)出現(xiàn)溫度差溫度差設(shè)湯姆遜熱效

6、應(yīng)設(shè)湯姆遜熱效應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)生的熱吸收率熱吸收率為為 qa(對(duì)于導(dǎo)對(duì)于導(dǎo)體體a)，則，則p1op2熱流熱流恒溫槽恒溫槽t1t1t2熱的傳遞熱的傳遞p1op2加熱點(diǎn)加熱點(diǎn)單一單一導(dǎo)體導(dǎo)體t1- tt1+ tt2a)b)a)均勻?qū)w形成溫度差；均勻?qū)w形成溫度差；b)電流通過(guò)有溫度差的導(dǎo)體電流通過(guò)有溫度差的導(dǎo)體產(chǎn)生吸熱和放熱產(chǎn)生吸熱和放熱湯姆遜湯姆遜(thomson)效應(yīng)效應(yīng)5 a導(dǎo)體導(dǎo)體a的的湯姆遜系數(shù)湯姆遜系數(shù)；dt/dx導(dǎo)體導(dǎo)體溫度梯度溫度梯度；j電流密度電流密度若若電流方向電流方向與與熱流方向熱流方向一致則一致則放出熱量放出熱量(電流產(chǎn)生的焦耳熱之外電流產(chǎn)生的焦耳熱之外)，反之則，反之則吸熱吸

7、熱.事實(shí)上，上述熱電效應(yīng)不僅存在于事實(shí)上，上述熱電效應(yīng)不僅存在于金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)體中，也存在于中，也存在于半導(dǎo)體半導(dǎo)體中中.金屬金屬的熱電效應(yīng)較的熱電效應(yīng)較弱弱，半導(dǎo)體半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)的熱電效應(yīng)顯著顯著二二. 熱電偶材料熱電偶材料熱電偶材料熱電偶材料: 利用熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)將利用熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)將溫度信號(hào)溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成電信號(hào)電信號(hào), 從而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的材從而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的材 料料.當(dāng)當(dāng)a、b兩種導(dǎo)體構(gòu)成圖兩種導(dǎo)體構(gòu)成圖55所示的回路時(shí)，按塞貝克效應(yīng)當(dāng)所示的回路時(shí)，按塞貝克效應(yīng)當(dāng)端點(diǎn)端點(diǎn)t1和和t2的的溫溫度不同時(shí)度不同時(shí)，回路中產(chǎn)生，回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)熱電勢(shì)根據(jù)根據(jù)熱電勢(shì)和溫差的對(duì)應(yīng)關(guān)系熱電勢(shì)和溫差

8、的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)出電勢(shì)即可，測(cè)出電勢(shì)即可得出得出溫度溫度.熱電極材料熱電極材料：構(gòu)成熱電偶的導(dǎo)體：構(gòu)成熱電偶的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體或半導(dǎo)體)稱(chēng)為稱(chēng)為熱電極材料熱電極材料 性能要求：性能要求：熱電勢(shì)大熱電勢(shì)大，熱電勢(shì)隨溫度呈單調(diào)函數(shù)變化熱電勢(shì)隨溫度呈單調(diào)函數(shù)變化，熔點(diǎn)高、，熔點(diǎn)高、抗高溫氧抗高溫氧化性和抗環(huán)境介質(zhì)腐蝕化性和抗環(huán)境介質(zhì)腐蝕，熱電特性穩(wěn)定，有良好的加工性能及機(jī)械強(qiáng)度，熱電特性穩(wěn)定，有良好的加工性能及機(jī)械強(qiáng)度等等dxdtjqaa6 熱電極材料：熱電極材料： 鉑銠合金鉑銠合金 nicr10合金合金 康銅康銅等等熱電偶熱電偶: 鉑銠鉑銠-鉑鉑, nicr10-康銅康銅, fe-康銅康銅等等.三熱電

9、轉(zhuǎn)換材料三熱電轉(zhuǎn)換材料熱電轉(zhuǎn)換材料：熱電轉(zhuǎn)換材料：用于熱電發(fā)電、熱電制冷等方面的材料用于熱電發(fā)電、熱電制冷等方面的材料 熱電材料與其它能源轉(zhuǎn)換相比熱電材料與其它能源轉(zhuǎn)換相比成本高成本高，效率低效率低但在一些特定場(chǎng)合和條但在一些特定場(chǎng)合和條件下，使用熱電轉(zhuǎn)換材料來(lái)獲得能源十分必要件下，使用熱電轉(zhuǎn)換材料來(lái)獲得能源十分必要熱電轉(zhuǎn)換元件工作原理：熱電轉(zhuǎn)換元件工作原理：7如下圖：如下圖：p型半導(dǎo)體材料型半導(dǎo)體材料的的絕對(duì)塞貝克系數(shù)絕對(duì)塞貝克系數(shù)sp為為正值正值、n型半導(dǎo)體材料型半導(dǎo)體材料的的絕對(duì)絕對(duì)塞貝克系數(shù)塞貝克系數(shù)sn 為為負(fù)值負(fù)值，a端溫度為端溫度為tc、b端溫度為端溫度為th 回路中通過(guò)電流為回

10、路中通過(guò)電流為i，電流由電流由n型型半導(dǎo)體半導(dǎo)體流向流向p型型半導(dǎo)體，由于帕耳帖效應(yīng)在半導(dǎo)體，由于帕耳帖效應(yīng)在a端電極處吸熱端電極處吸熱，在，在b端端電極處放熱電極處放熱. 若若保持電流、保持電流、a端和端和b端溫度不變端溫度不變，則該電熱元件由，則該電熱元件由a端連續(xù)不端連續(xù)不斷的斷的從對(duì)象中吸熱從對(duì)象中吸熱，由，由b端放熱，端放熱，實(shí)現(xiàn)熱電制冷實(shí)現(xiàn)熱電制冷.a端端tc b端端th8材料材料 當(dāng)前使用和正在開(kāi)發(fā)的熱電轉(zhuǎn)換材料（當(dāng)前使用和正在開(kāi)發(fā)的熱電轉(zhuǎn)換材料（半導(dǎo)體半導(dǎo)體），按使用溫度分，主要），按使用溫度分，主要有三類(lèi)：有三類(lèi)： (1)低溫區(qū)低溫區(qū)(300- -400)：bi2te3、sb

11、2te3 、 hgte、bi2se3 、 sb2se3、znsb及它們的復(fù)合體及它們的復(fù)合體. (2)中溫區(qū)中溫區(qū)( 700):pbte、sbte、bi(sisb2)、bi2(gese)3等等. (3)高溫區(qū)高溫區(qū)(700)：crsi2、mnsi1.73、fesi2、cosi等等. (一一)bi2te3-sb2te3系化合物系化合物 sb2te3、bi2se3、sb2se3均屬均屬bi2te3化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體，其晶體結(jié)構(gòu)為菱，其晶體結(jié)構(gòu)為菱面體點(diǎn)陣，屬面體點(diǎn)陣，屬c33結(jié)構(gòu)。這些化合物可互溶且有較大的互溶度結(jié)構(gòu)。這些化合物可互溶且有較大的互溶度. (二二)pbte型化合物型化合物 pbte系化合物既系化合物既可作為合金，也可當(dāng)作半導(dǎo)體可作為合金，也可當(dāng)作半導(dǎo)體。具有。具有離子鍵結(jié)合離子鍵結(jié)合的的nacl型晶體結(jié)構(gòu)。該化合物的固溶范圍很小型晶體結(jié)構(gòu)。該化合物的固溶范圍很小.9