電磁學(xué)小論文淺談溫差發(fā)電和溫差電池中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)物理系摘要：本文簡(jiǎn)單介紹了溫差發(fā)電的機(jī)理，溫差發(fā)電在電池上的應(yīng)用，最新的應(yīng)用及發(fā)展前景。關(guān)鍵字：塞貝克效應(yīng)溫差發(fā)電溫差電池綠色能源正文：一：溫差發(fā)電的機(jī)理塞貝克效應(yīng)半導(dǎo)體的塞貝克效應(yīng)：如圖，將兩種半導(dǎo)體一端連接在一起，并使它處在高溫區(qū)域，而另一端開路并使它處在低溫區(qū)，則在低溫端存在開路電壓V，這種效應(yīng)成為塞貝克效應(yīng)。AV=aSAT=aS(T2-T1)上式中aS為所用兩種材料的塞貝克系數(shù)，單位是v/k或仙v/k,它是由材料本身決定的，大部分金屬的系數(shù)值約為幾百HV/K?？梢?，由一個(gè)PN連接所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)較小，可將它們串聯(lián)加以利用。P型半導(dǎo)體和S型半導(dǎo)體的塞貝克效應(yīng)機(jī)理不同。P型半導(dǎo)體內(nèi)高溫端空穴濃度高，空穴便從高溫端向低溫端擴(kuò)散，開路時(shí)冷端會(huì)帶正電荷，熱端會(huì)帶負(fù)電荷，同時(shí)在半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)，當(dāng)擴(kuò)散作用與電場(chǎng)的作用相互抵消時(shí)，就會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。N型半導(dǎo)體內(nèi)，載流子濃度高，高溫端電子能量大，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致冷端帶負(fù)電荷，熱端帶正電荷。這樣因?yàn)榘雽?dǎo)體兩端溫度差而形成的電動(dòng)勢(shì)成為溫差電動(dòng)勢(shì)。P型半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)的方向是從低溫端指向高溫端（塞貝克系數(shù)為正），相反，N型半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)的方向是高溫端指向低溫端（塞貝克系數(shù)為負(fù)），因此利用溫差電動(dòng)勢(shì)的方向即可判斷半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。塞貝克效應(yīng)不僅存在于半導(dǎo)體中，金屬中也有類似效應(yīng)，只不過金屬中的效應(yīng)較弱，一般塞貝克系數(shù)為0?10mV/K。金屬塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理較為復(fù)雜，但可以從兩個(gè)方面簡(jiǎn)單分析：1熱端電子因?yàn)橛懈吣芰慷蚶涠藬U(kuò)散。2平均自由程的影響：如果熱端電子的平均自由程是隨著電子能量的增加而增大的話，那么熱端的電子具有較大的能量，同時(shí)又具有較大的平均自由程，則熱端電子向冷端的輸運(yùn)則是主要的過程，從而將產(chǎn)生塞貝克系數(shù)為負(fù)效應(yīng)，如Al、Mg、Pd、Pt等；如果熱端電子的平均自由程是隨著電子能量的增加而減小的話，那么熱端的電子雖然具較大的能量，但是們的平均自由程卻很小，因此電子的輸運(yùn)將主是從冷端向熱端的輸運(yùn)，從而將產(chǎn)生塞貝克系數(shù)為正的塞貝克效應(yīng)；如Cu、Au、Li等。

二：塞貝克效應(yīng)的應(yīng)用：熱電偶，熱電轉(zhuǎn)換器和溫差發(fā)電器熱電偶：應(yīng)用塞貝克效應(yīng)，塞貝克后來還對(duì)一些金屬材料做出了測(cè)量，之后將35種金屬按塞貝克系數(shù)從大到小排成一個(gè)序列：Bi-Ni-Co-Pd-U-Cu-Mn-Ti-Hg-Pb-Sn-Cr-Mo-Rb-Ir-Au-Ag-Zn-W-Cd-Fe-As-Sb-Te-……)意義為，當(dāng)序列中的任意兩種金屬構(gòu)成閉合回路時(shí)，電流將從排序較前的金屬經(jīng)熱接頭流向排序較后的金屬。熱電偶是利用金屬的塞貝克效應(yīng)來測(cè)量溫度的裝置。如果選用合適的金屬材料，將他們加工成適當(dāng)?shù)膸缀涡螤?，就可測(cè)量到從一180°C到+2000°C的溫度。溫差發(fā)電：溫差發(fā)電的原理如圖2所示。將多個(gè)P型，N型半導(dǎo)體構(gòu)成的連接串聯(lián)，便可以獲得可觀的電動(dòng)勢(shì)，構(gòu)成一個(gè)熱電轉(zhuǎn)換器。這樣的轉(zhuǎn)換器可以將溫度差直接轉(zhuǎn)換為電能。目前，應(yīng)用的溫差發(fā)電機(jī)的效率較低，為4%左右，這與熱電轉(zhuǎn)換器的材料和制作工藝有關(guān)。但溫差發(fā)電可以利用自然界的綠色能源，有著良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和發(fā)展前景。美國(guó)Hi-Z技術(shù)公司已經(jīng)將為車輛余熱轉(zhuǎn)化的熱電轉(zhuǎn)換器商品化，功率從2.5瓦到19瓦不等。圖3為熱電轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖。由公式知，單個(gè)電熱轉(zhuǎn)換器功率很小。應(yīng)用時(shí)，像圖2由公式知，單個(gè)電熱轉(zhuǎn)換器功率很小。應(yīng)用時(shí)，像圖2所示串聯(lián)，可得到較大功率的轉(zhuǎn)換器。目前溫差發(fā)電器主要有平板式和圓筒式兩種。共同點(diǎn)都是利用轉(zhuǎn)換器構(gòu)成平面異側(cè)的溫度差發(fā)電。一個(gè)可固定在柴油機(jī)排氣管道上的溫差發(fā)電器如圖4所示。圖4 圖5溫差發(fā)電可應(yīng)用的方面很廣。汽車廢熱的利用：因?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)的效率較低，汽油中大約有60%的廢熱散失到大氣中，這不僅是對(duì)能源的浪費(fèi)，還會(huì)加劇地球的溫室效應(yīng)。用圖4,圖5所示的溫差發(fā)電器

能利用一部分廢熱將其轉(zhuǎn)化成電能。工業(yè)廢熱的利用：雖然近幾年我國(guó)的清潔能源技術(shù)有了迅速的發(fā)展，但我國(guó)主要的電能來源依然是高耗能的熱電發(fā)電。利用圓筒狀的溫差發(fā)電器可以將工業(yè)產(chǎn)生的高溫廢氣，廢水中的熱利用起來。1984年，日本東京發(fā)電公司就已經(jīng)生產(chǎn)出了利用工業(yè)余熱的溫差發(fā)電器。自然界中形成的天然溫差:圖6 圖7自然界中有有大量的天然“溫差”，沙漠，海洋，房屋，人體，等等。圖6為利用人體與外界的溫差設(shè)計(jì)的一款電池。圖7是利用房屋內(nèi)部的通風(fēng)結(jié)構(gòu)和太陽照射產(chǎn)生的溫差而設(shè)計(jì)的電池。太陽輻射到銅板上，形成溫度差，假設(shè)環(huán)境溫度為30到35攝氏度，太陽輻射強(qiáng)度為800瓦每平方米，能產(chǎn)生1.2瓦每平方米的電能，可儲(chǔ)存。我國(guó)每年要從國(guó)外進(jìn)口大量的液化天然氣。其中也儲(chǔ)藏著大量的冷能，可以利用它和自然界的溫差來發(fā)電。海洋也是一個(gè)巨大的冷庫，可設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)換器，一端在海面，另一端在水中500米初，一般來說，海面溫度約為25到28攝氏度，而水下500米處約為4到7攝氏度。由此制成的發(fā)電裝置會(huì)獲得更可觀的電能。圖8為日本利用溫差制造的發(fā)電裝置。圖8 圖9圖9為沙漠上的溫差發(fā)電裝置。放射性同位素：溫差發(fā)電在人類對(duì)太空的探索過程中也起到了極大的作用。在遠(yuǎn)離太陽、黑暗、冰冷和空洞的世界里，太陽的輻射量極其微小，太

陽能電池很難發(fā)揮作用.使用熱源穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、壽命長(zhǎng)的放射性同位素溫差發(fā)電系統(tǒng)成為理想的選擇.利用溫差電技術(shù)，一枚硬幣大小的放射性同位素?zé)嵩茨軌蛱峁╅L(zhǎng)達(dá)二十年以上的連續(xù)不斷的電能，這是其他任何一種能源技術(shù)所不能比擬的.圖10為NASA研制的用于宇宙飛船上的放射性同位素溫差發(fā)電機(jī)。微電池：體積小、重量輕、無振動(dòng)、無噪音使溫差發(fā)電機(jī)非常適合用作小功率電源（小于5W）.在各種無人監(jiān)視的傳感器、微小短程通訊裝置以及醫(yī)學(xué)和生理學(xué)研究用微小型發(fā)電機(jī)、傳感電路、邏輯門和各種糾錯(cuò)電路需要的短期微瓦、毫瓦級(jí)電能方面，溫差電技術(shù)均可發(fā)揮其獨(dú)特的作用。是Hi-Z公司制造的可協(xié)調(diào)荷載的微電池，其輸出功率可達(dá)2.5W,輸出電壓V，圖11。圖10 圖11溫差發(fā)電裝置還遠(yuǎn)不只有這些。人們生活中所產(chǎn)生的廢熱還有許多。比如洗過熱水澡所流走的熱水，做飯時(shí)產(chǎn)生的熱油，熱水等等。溫差的利用可以滲透到我們生活的每一個(gè)方面。如果能將這些浪費(fèi)的能量利用起來，其生態(tài)效應(yīng)將是可觀的。但現(xiàn)在的問題關(guān)鍵是熱電轉(zhuǎn)換器的效率太低。材料的熱電轉(zhuǎn)換效率和什么有關(guān)呢？溫差電傳感器：溫差傳感器是基于材料的塞貝克效應(yīng)進(jìn)行氫氣及其他可燃性氣體的檢測(cè)。下面以氫氣為例進(jìn)行介紹。薄膜型溫差電氫氣傳感器是利用薄膜表面上，一半面積涂有的催化劑。這種催化劑，當(dāng)有氫氣存在時(shí)涂有催化劑部分的熱電轉(zhuǎn)換材料的溫度會(huì)升高，之后在器件的兩端建立電勢(shì)差.通過電壓信號(hào)的大小既可知道氫氣泄漏，還可用于推算氫氣濃度。圖12為對(duì)氫氣的敏感性測(cè)試結(jié)果。圖中，1,2,3,4,5分別對(duì)應(yīng)氫氣濃度為3%，1%，0.5%，0.1%，0.01%?？梢娦乱淮鷼錃鈧鞲衅黛`敏度高，發(fā)生信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)，體積小，對(duì)氫氣專一性好，有著傳統(tǒng)傳感器所沒有的眾多優(yōu)點(diǎn)。三：轉(zhuǎn)換效率先介紹材料的優(yōu)值Z,Z的表達(dá)式為Z=S*Sb/K式中S是塞貝克系數(shù)，b是電導(dǎo)率，K是熱導(dǎo)率。此外，還有無量綱的優(yōu)值ZT用于衡量熱電材料的性能，其中T為熱力學(xué)溫度。提高ZT值是提高效率的關(guān)鍵。通常發(fā)電效率表達(dá)式為：ncarnot為理想卡諾熱機(jī)的效率，nmater為材料的熱點(diǎn)效應(yīng)效率，由上述Z決定?！?[（1+27嚴(yán)藥嚴(yán)+[/4一：上式中，T為高溫?zé)嵩礈囟群偷蜏責(zé)嵩礈囟鹊钠骄?。首先，電?dǎo)率和塞貝克系數(shù)都是載流子濃度的函數(shù)。隨著載流子濃度的提高,電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì)，而塞貝克系數(shù)卻會(huì)隨著電導(dǎo)率的進(jìn)一步提高而大幅地下降。因而在熱電優(yōu)值的表達(dá)式中，分子項(xiàng)S2。只能在一個(gè)特定的載流子濃度下達(dá)到最大,其可調(diào)范圍非常有限。熱電性能的提高僅限于降低導(dǎo)熱系數(shù)。材料的熱導(dǎo)由兩部分組成，一部分是載流子（假定是電子）的定向運(yùn)動(dòng)引起的電子熱導(dǎo)率（Ke）；另一部分是由于聲子平衡分布集團(tuán)的定向運(yùn)動(dòng)，稱為聲子熱導(dǎo)率（Kp）.由于熱電轉(zhuǎn)換材料一般要求有較高的電導(dǎo)率，而根據(jù)Wiedeman-Franze定律：TGq二島T’禺己g為BoltznMiin常數(shù)）電子熱導(dǎo)率正比于電導(dǎo)率，因而隨著電導(dǎo)率的提高電子熱導(dǎo)率也會(huì)上升，使熱導(dǎo)率的調(diào)節(jié)受到限制。多數(shù)半導(dǎo)體材料的聲子熱導(dǎo)率高于電子熱導(dǎo)率，因此提高熱電轉(zhuǎn)換材料優(yōu)值的辦法便主要集中為降低聲子熱導(dǎo)率。人們采取了多種方法提高聲子的擴(kuò)散能力，試圖改善其熱電性能。但到目前為止，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均不理想，溫差發(fā)電效率始終不能與傳統(tǒng)方式媲美。當(dāng)前室溫附近最好的熱電轉(zhuǎn)換材料是塊狀Bi-Te材料，其無量綱優(yōu)值大約為1，熱電轉(zhuǎn)換效率不到5%,為了成功與其它換能系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)，必須使ZT值提高到2到3.由于同一種材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率是相互關(guān)聯(lián)的，所以要從根本上解決高電導(dǎo)而低熱導(dǎo)這對(duì)矛盾，需要找到新的思路。聲子是什么？聲子就是“晶格振動(dòng)的簡(jiǎn)正模能量量子”英文是phonono因此，聲子用來描述晶格的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，是固體理論中很重要的一個(gè)概念。按照量子力學(xué)，物體是由大量的原子構(gòu)成，每種原子又都含有原子核和電子，因此固體內(nèi)存在原子核之間的相互作用、電子間的相互作用還有原子核與電子間的相互作用。電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以用密度泛函理論得到，那么原子核的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就用聲子來描述。聲子是簡(jiǎn)諧近似下的產(chǎn)物，如果振動(dòng)太劇烈，超過小振動(dòng)的范圍，那么晶格振動(dòng)就要用非簡(jiǎn)諧振動(dòng)理論描述?，F(xiàn)在熱電材料領(lǐng)域已取得的重大進(jìn)展，包括絕緣側(cè)和導(dǎo)電層的交叉分層，特定層的電荷與自旋態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，和材料結(jié)構(gòu)的納米化。利用工程學(xué)技術(shù)，通過現(xiàn)有的材料制造高效的溫差發(fā)電器也是主攻方向。熱電偶的優(yōu)值不