熱電材料與溫差發(fā)電器PPT學習教案

1、會計學1熱電材料與溫差發(fā)電器熱電材料與溫差發(fā)電器熱電效應賽貝克效應帕爾帖效應湯姆遜效應第1頁/共25頁由德國科學家Seebeck于1821年發(fā)現(xiàn)兩種不同材料AB組成的回路，且兩端接觸點溫度不同時，則在回路中存在電動勢的效應不同的金屬導體（或半導體）具有不同的自由電子密度，當兩種不同的金屬導體相互接觸時，在接觸面上的電子就會擴散以消除電子密度的差異。而電子的擴散速率與接觸區(qū)的溫度成正比，所以只要維持兩金屬間的溫差，就能使電子持續(xù)擴散，在兩塊金屬的另兩個端點形成穩(wěn)定的電壓.導體兩端的電勢差：第2頁/共25頁由法國科學家珀爾帖于1834年發(fā)現(xiàn)起源于載流子在構(gòu)成回路的兩種導體中的勢能差異。當載流子從一

2、種導體通過接頭處進入另一種導體時，需要在接頭附近與晶格發(fā)生能量交換，以達到新的平衡，從而產(chǎn)生吸熱與放熱現(xiàn)象。兩種不同材料組成的電回路在有直流電通過時，兩個接頭處分別發(fā)生了吸放熱現(xiàn)象Peltier系數(shù) ， 單位 W/A，V第3頁/共25頁由湯姆遜于1856年發(fā)現(xiàn)當單一導體或半導體在兩端有溫差以及有電流通過時，會在此導體或半導體上產(chǎn)生吸熱或放熱的現(xiàn)象Thomson效應的起因與Peltier效應非常類似，不同之處在于: 在Peltier效應中，載流子的勢能差異是構(gòu)成回路的兩導體中載流子勢能不同所致，而在Thomson效應中，載流子的能量差異是由溫度梯度引起的。 Thomson系數(shù)，單位V/K第4頁/

3、共25頁第5頁/共25頁定義：=hPQ輸出電功率熱端吸收的熱量輸出電功率：222PNLLLiLiLTPI RRRRRRR熱端吸收的熱量：212hPNhLQT ITI R 2()(1)(1)2hchchhhTTmTTmTmTZT帕爾貼熱+傳導熱-焦耳熱令LimRR2PNiZR熱電優(yōu)值第6頁/共25頁熱端與冷端溫度 的取值LimRR熱電優(yōu)值單一熱電材料的優(yōu)值Z：22Z 評價某一熱電材料的質(zhì)量標準Z值有量綱，單位為K-1.無量綱ZT值22TZTT 賽貝克系數(shù) 電導率k 熱導率Z 值越高，材料性能越好較好的熱電材料必須具有較大的Seebeck系數(shù)和電導率，同時應有較小的熱導率第7頁/共25頁第8頁/共

4、25頁金屬及其合金： 電導率高，但根據(jù)Wedman一Franze定律，其熱導率與電導率之比為常數(shù)，而絕大多數(shù)金屬的seebeck系數(shù)只有10V/K左右，所以由由金屬制成的溫差電材料性能比較差；ZT 一直小于1；半導體熱電材料：隨著20世紀50年代半導體材料的研究而興起；一些半導體材料的seebeck系數(shù)可高于100V/K；利用兩種以上的半導體形成固溶體，可以有效提高/；ZT 接近并超過1；Bi2Te3類材料普冷溫區(qū)(熱面溫度400)PbTe類材料中溫區(qū)(熱面溫度400-500 )SiGe合金類材料高溫區(qū)(700 以上)第9頁/共25頁第10頁/共25頁第11頁/共25頁熱電偶測溫、半導體制冷、

5、溫差發(fā)電（太陽能聚焦光電熱電同步發(fā)電、微燃料燃燒、放射性同位素溫差發(fā)電、核反應堆溫差發(fā)電、工業(yè)余熱、汽車余熱）v熱電材料及器件的特點：無運動部件（除了電子、空穴和晶格振動或者說是聲子的運動以外就沒有部件的運動）；無流體介質(zhì)（如冰箱里用氟利昂作為介質(zhì)）；無噪聲無污染；無磨損免維護；熱電轉(zhuǎn)化效率偏低，不到10%；要想讓熱電器件廣泛應用于商業(yè)，熱電材料的ZT值必須接近于3第12頁/共25頁熱源溫差電組件冷源(散熱器)外殼整個發(fā)電器中要使熱源、溫差電組件、散熱器之間相互電絕緣，在熱路上同時要保證有最小的熱阻；根據(jù)熱源的類型和所能達到的最高溫度選擇合適的溫差電材料與組件；根據(jù)溫差發(fā)電器的應用環(huán)境和其他條

6、件選擇合適的冷端散熱方式；溫差發(fā)電器的整體應具有一定的機械強度，應具有較高的抗沖擊振動能力；第13頁/共25頁平板型Bi2Te3溫差電組件第14頁/共25頁1-同位素熱源，2-溫差電換能器，3-絕熱材料，4-外殼，5-輸出接頭，6-密封接頭圖Angel-RTG結(jié)構(gòu)示意圖平板結(jié)構(gòu)，溫差電元件安裝在熱源一側(cè)安裝方便，成本較低，但熱量利用率較低使用碲化鉍溫差電組件，熱面工作溫度約在200第15頁/共25頁圖 PbTeRTG結(jié)構(gòu)示意圖熱源，溫差電元件，傳熱軸，框架，外殼，散熱片已經(jīng)成功地用于Snap-3、Snap-19、Snap-27等放射性同位素溫差發(fā)電器中；PbTe基溫差電材料，熱面工作溫度約在4

7、00；熱源置于發(fā)電器中心軸，溫差電元件分列式輻射狀排列在柱體狀熱源周圍；用彈簧-活塞-調(diào)整扣組成冷端組合體，溫差電單體上加加彈簧壓力負載。內(nèi)部填充低熱導率的絕熱材料；發(fā)電器內(nèi)部充氬氣或混合惰性氣體（氪-氫或氦-氬混合氣）以抑制溫差電材料升華；第16頁/共25頁圖 GPHS-RTG的結(jié)構(gòu)1-熱源支撐件,2-冷卻管,3-氣體控制構(gòu)件,4-鋁外殼構(gòu)件,5-通用熱源(GPHS),6-主動冷卻系統(tǒng)集管,7-壓力釋放器件,8-RTG安裝法蘭,9-多層箔絕熱材料,10-硅-鍺單體,11-熱源盒中部支撐件已成功地應用于加利略、尤利西斯、卡西尼、新視野號等空間工程中；采用可卸式鍺-硅溫差電單體，熱面工作溫度約在

8、800；采用了熱源中心型溫差電元件分列式結(jié)構(gòu)；采用通用熱源模塊GPHS，結(jié)構(gòu)較靈活，熱源與溫差電組件均可拆卸；發(fā)電器內(nèi)采用鉬箔和加鉬遮光石英紙交迭組成的多層箔絕熱材料；第17頁/共25頁開路電壓、輸出電功率、效率、功率衰減率、重量、體積、重量比功率和可靠性等v應用：RTG作為航天器電源；地面和海洋開發(fā)中應用：主要用于燈塔、航標、海底聲納、海底微波中繼站、自動氣象站和地震測試站電源；燃氣溫差發(fā)電器已經(jīng)在世界許多國家的輸油、輸氣管線、通訊網(wǎng)絡上獲得了應用低級熱，包括工業(yè)廢熱、垃圾燃燒熱、汽車排氣管的余熱、太陽熱、地熱、海洋熱能的利用；第18頁/共25頁第19頁/共25頁第20頁/共25頁低壓直流電源+數(shù)字電流表+數(shù)字電壓表+電加熱管+導熱塊+絕熱膜第21頁/共25頁由恒溫儲水箱，循環(huán)水泵，吸熱盒，散熱器及硅膠水管管路組成。v數(shù)據(jù)采集及處理單元：有12個溫度通道和4個電壓通道；溫