感知電世界教材

世知界感電

你是否了解溫差發(fā)電、噪聲發(fā)電，它們應(yīng)用在那些場(chǎng)合？是否具有推廣前景？123456目錄研究背景

溫差、噪聲發(fā)電原理國(guó)內(nèi)外溫差、噪聲發(fā)電技術(shù)進(jìn)展?fàn)顩r溫差、噪聲發(fā)電的利用結(jié)語致謝溫差發(fā)電

隨著世界能源危機(jī)、環(huán)境污染的日益加劇、

人口的迅猛增長(zhǎng)，人類對(duì)能源的需求日益增加，

迫切需要一種新型能源來替代傳統(tǒng)能源。隨著科技的進(jìn)步更多的新型能源得以發(fā)現(xiàn)研究和發(fā)展溫差發(fā)電技術(shù)是一種綠色環(huán)保發(fā)電方式，它可以合理利用太陽能、地?zé)崮?、海洋熱能、工業(yè)余熱等低品位能源轉(zhuǎn)化成電能。發(fā)展背景溫差發(fā)電

溫差發(fā)電是一種新型的發(fā)電方式，它是利用塞貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，當(dāng)兩種不同金屬（或半導(dǎo)體）連接成一個(gè)閉合回路，將它們的接點(diǎn)放到兩個(gè)溫度不同的地方，則總的熱電效應(yīng)（又稱溫差電效應(yīng)）將同時(shí)發(fā)生的四種不同效應(yīng)：塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)、湯姆遜效應(yīng)（Thomsoneffect）、焦耳效應(yīng)（Jouleeffect）。其中，前三種效應(yīng)是電和熱可以相互轉(zhuǎn)換的可逆效應(yīng)。而另外一種效應(yīng)即焦耳效應(yīng)則是不可逆效應(yīng)。這四種效應(yīng)構(gòu)成了溫差電研究的理論基礎(chǔ)。塞貝克效應(yīng)

塞貝克（Seeback）效應(yīng)，又稱作第一熱電效應(yīng)，它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。在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同，則在回路中將出現(xiàn)電流，稱為熱電流。塞貝克效應(yīng)的實(shí)質(zhì)在于兩種金屬接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差，該電勢(shì)差取決于金屬的電子逸出功和有效電子密度這兩個(gè)基本因素。半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)較大，可用作溫差發(fā)電器。（見右圖）由于兩種金屬接觸時(shí)本身會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差，若T1比T2溫度高，由于溫度越高金屬電子的能量越高，逸出的越多，所以T1處有電子像T2方向逸出形成如圖所示的電流。T2端不斷放熱，T1端不斷吸熱，使電子不斷逸出，和前面接觸電勢(shì)差一樣產(chǎn)生一個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而在金屬中產(chǎn)生如圖所示的電流，即熱電流。最基本的半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件是由P、N兩種類型不同的半導(dǎo)體溫差電材料經(jīng)電導(dǎo)率較高的導(dǎo)流片串聯(lián)并將導(dǎo)流片固定于導(dǎo)熱系數(shù)較小的陶瓷片上而成。下圖所示的是一個(gè)最簡(jiǎn)單、最基本的溫差電器件。當(dāng)在器件的兩端建立一個(gè)溫差，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，將產(chǎn)生一個(gè)電壓，若將回路中接入負(fù)載電阻，則將有電流流過,電流方向在N極中由冷端流向熱端，P極中由熱端流向冷端。整個(gè)過程中還伴隨著其它可逆的熱電應(yīng)和不可逆的熱效應(yīng)。溫差發(fā)電原理技術(shù)分布現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展國(guó)內(nèi)在溫差發(fā)電方面的研究起步相對(duì)較晚，主要集中在理論和熱電材料的制備等方面的研究。陳金燦課題組從20世紀(jì)80年代開始對(duì)溫差發(fā)電器的基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究，對(duì)溫差發(fā)電器的性能進(jìn)行優(yōu)化分析，得到很多有意義的成果。屈健等研究了不可逆情況下發(fā)電器的輸出功率和效率隨外部條件的性能變化規(guī)律。李玉東等提出從火用的角度對(duì)低溫差下發(fā)電器的工作性能進(jìn)行分析。賈磊等提出低溫及大溫差工況下湯姆遜熱對(duì)輸出功率的影響不可忽略的觀點(diǎn)。賈陽等建立溫差發(fā)電器熱電耦合分析模型,以數(shù)值計(jì)算的方法分析了熱電材料物性參數(shù)及其變化對(duì)發(fā)電器工作特性的影響等等。國(guó)內(nèi)分部國(guó)外分部技術(shù)分布現(xiàn)狀1821年Seebeck發(fā)現(xiàn)塞貝克效應(yīng)以來，國(guó)外對(duì)溫差發(fā)電進(jìn)行了大量的研究，1947年，第一臺(tái)溫差發(fā)電器問世效率綜述僅為1.5%，在隨后的幾十年中溫差發(fā)電機(jī)成功用于航天飛機(jī)、軍事和遠(yuǎn)洋探索上，20世紀(jì)80年代初，美國(guó)又完成500～1000W軍用溫差發(fā)電機(jī)的研制同時(shí)日本武裝部隊(duì)開展了一列以“固體廢物燃燒能源回收研究計(jì)劃”為題的政府計(jì)劃，研究用于固體廢物焚燒爐的廢熱發(fā)電技術(shù)，將透平機(jī)和溫差發(fā)電機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模垃圾焚燒熱的最大利用。2006年，BSST的科學(xué)家和BMW聯(lián)合宣布，商用的汽車溫差發(fā)電器將于2013年投入使用。Douglas等針對(duì)熱源動(dòng)態(tài)變化情況，設(shè)計(jì)出多模塊交互回路溫差發(fā)電器，在相同熱源下，輸出功率最大提高25%。技術(shù)進(jìn)步將大幅度降低發(fā)電成本，增加其競(jìng)爭(zhēng)能力。日本、法國(guó)、比利時(shí)等國(guó)已經(jīng)建成一些海水溫差發(fā)電站，功率從100千瓦至10000千瓦不等。在宇宙飛船上使用以各種放射性同位素為熱源的溫差發(fā)電裝置。

①

③②放射性同位素溫差發(fā)電機(jī)放在深海中為無線電信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)供電.

液體燃料溫差發(fā)電器，供夜視裝置、雷達(dá)、導(dǎo)航設(shè)備、電臺(tái)和指揮系統(tǒng)使用應(yīng)用③

②

①

節(jié)能效果明顯，例如能將機(jī)器、汽車等處的熱量轉(zhuǎn)化為電力資源相對(duì)成本低：?jiǎn)蝹€(gè)熱電模塊需要100到250元，相對(duì)于太陽能熱發(fā)電及工業(yè)余熱發(fā)電中的汽輪機(jī)等運(yùn)動(dòng)部件的成本來說是微不足道的。

熱電模塊體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，這些優(yōu)勢(shì)都有助于低品位能量利用的普及推廣。優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用前景長(zhǎng)久以來，因?yàn)槭艿缴a(chǎn)成本和轉(zhuǎn)換效率的限制，溫差電技術(shù)的應(yīng)用一直局限于高科技和軍事、航天領(lǐng)域.最近，由于化石能源數(shù)量的日益減少和化石能源燃燒所引起的環(huán)境惡化問題的逼近，人們意識(shí)到利用低品位和廢熱進(jìn)行發(fā)電對(duì)解決環(huán)境和能源問題的重要性.另外，可供使用的熱源的廣泛性和廉價(jià)性大大增強(qiáng)了溫差發(fā)電方式的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)性.我們知道，發(fā)電成本主要由運(yùn)行成本和設(shè)備成本組成.運(yùn)行成本取決于轉(zhuǎn)換效率和原料，設(shè)備成本決定于產(chǎn)生額定輸出電力的裝置.雖然熱電轉(zhuǎn)換模塊的成本很高，但由于利用低品位和廢熱發(fā)電的原料費(fèi)用極少，幾近為零，運(yùn)行成本很低，因此發(fā)電總費(fèi)用降低，使得溫差發(fā)電可與現(xiàn)存發(fā)電方式進(jìn)行商業(yè)競(jìng)爭(zhēng).近幾年許多國(guó)家在發(fā)展溫差發(fā)電。如日本開展了以“固體廢物燃燒能源回收研究計(jì)劃”為題的政府計(jì)劃，研究用于固體廢物焚燒爐的廢熱發(fā)電技術(shù)，將透平發(fā)電機(jī)和溫差發(fā)電機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模垃圾焚燒熱的最大利用，使垃圾真正成為可供利用的資源.繼日本之后，2003年11月美國(guó)能源部宣布資助太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、密西根技術(shù)大學(xué)、匹茲堡PPG工藝有限公司等單位，重點(diǎn)支持他們?cè)诟咝阅軣犭娹D(zhuǎn)換材料和應(yīng)用技術(shù)方面的開發(fā)，其主要應(yīng)用對(duì)象是工業(yè)生產(chǎn)中的尾氣熱和其他構(gòu)件中的廢熱和余熱利用.噪聲發(fā)電發(fā)展背景噪聲作為一種公眾環(huán)境污染，為人們深惡痛絕，人們?cè)噲D通過各種方法去加以解決。但以前的噪聲研究多是噪聲的控制和吸聲降噪方面。近年來世界各國(guó)對(duì)噪聲的利用有了一定的研究，例如噪聲除塵、噪聲克敵等。

我國(guó)對(duì)于聲能的研究也獲得了令人注目的成就，并且在生活中聲能已有很多應(yīng)用，如利用超聲波加工、清洗、焊接等；但在噪聲利用方面還處于研究試驗(yàn)階段?；谝陨犀F(xiàn)狀，對(duì)噪聲利用的研究是很有必要的。由此開始了噪聲發(fā)電的研究。。噪聲發(fā)電原理一提到噪聲,人們往往避而遠(yuǎn)之.其實(shí),噪聲不僅是一種污染源,也是一種能量.那么,這些噪聲能量能否加以利用呢?回答是肯定的.采用聲電轉(zhuǎn)換裝置就可以將噪聲能量收集起來轉(zhuǎn)換成電能加以利用.最簡(jiǎn)單的聲電轉(zhuǎn)換裝置就是我們通常所說的“話筒”.話筒可以將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).常用的話筒有許多種,如動(dòng)圈式、電容式、壓電式等.動(dòng)圈式話筒是依據(jù)電磁轉(zhuǎn)換原理制成的,當(dāng)音圈在環(huán)形磁鐵的磁場(chǎng)里做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí),便會(huì)產(chǎn)生感生電壓.話筒中的音膜與音圈聯(lián)成一體,音膜在聲波的作用下帶動(dòng)音圈一起振動(dòng).就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào).研究中的噪聲發(fā)電裝置其原理也是將聲能轉(zhuǎn)換成電能,因此結(jié)構(gòu)上大多類似于話筒,只不過特別增加了聲能的收集裝置.一般而言,聲能發(fā)電系統(tǒng)是由聲能收集裝置和換能器兩部分組成.

這就需要聲能轉(zhuǎn)換材料，如鋯鈦酸鉛陶瓷等。韓國(guó)研究人員利用人耳吸收聲波的原理,制造出了仿照人耳吸收聲音的鼓膜噪聲發(fā)電機(jī).研究人員將這種發(fā)電機(jī)命名為“聲雷”。它可以將噪聲沖擊波造成的仿生鼓膜的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來,當(dāng)它與電器相連時(shí)就可釋放出電能。顯然，把裝有這種“聲雷”發(fā)電機(jī)的隔音墻建在公路、高鐵兩側(cè)，既能吸收交通噪聲，又能將噪聲能轉(zhuǎn)化成電能，滿足公路照明燈、信號(hào)指燈的用電需要。眾所周知，機(jī)場(chǎng)的噪聲很大，尤其是在跑道附近。為此，臺(tái)灣設(shè)計(jì)師周宏威設(shè)計(jì)了一款利用飛機(jī)起降的巨大轟鳴聲來發(fā)電的跑道指示燈。指示燈內(nèi)部設(shè)有專門的噪聲發(fā)電裝置，能將飛機(jī)起降的噪聲轉(zhuǎn)化成電能供指示燈發(fā)光。在指示燈底部有一個(gè)三角支架，可以防止雨水的侵襲，還可以方便工作人員檢修。指示燈的外部還設(shè)有一個(gè)小的顯示屏，顯示指示燈的一些資料信息。實(shí)用性美好展望隨著社會(huì)的高速發(fā)展，噪聲污染勢(shì)必成