【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 也有一個(gè)規(guī)定符號(hào)的問(wèn)題，這必須與 a ab 一致。通常規(guī)定，當(dāng) 電流在接頭 1 處由導(dǎo)體 a 流入導(dǎo)體 b 時(shí)，接頭 1 從外界吸熱(接頭 2 對(duì)外界放熱)， 則珀?duì)柼禂?shù)為正，反之為負(fù)。 湯姆遜效應(yīng)1854 年，Thomson 發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流通過(guò)一個(gè)單一導(dǎo)體，且該導(dǎo)體中存在溫度梯 度，就會(huì)有可逆的熱效應(yīng)產(chǎn)生，稱為湯姆遜效應(yīng)[12]。（如圖 23）湯姆遜熱與通 過(guò)的電流，溫度梯度的乘積成正比如式（27）：Q = tI dTt dx（27）式中 Qt ——每單位長(zhǎng)度導(dǎo)體的吸熱(放熱率)，也稱湯姆遜熱；t ——比例常數(shù)，稱為湯姆遜系數(shù)；I ——通過(guò)導(dǎo)體的電流；DT ——溫差；dT / dx ——溫度梯度。與周圍環(huán)境的熱交換溫度梯度圖 23 湯姆遜效應(yīng)示意圖如果習(xí)慣電流方向和溫度梯度的方向一致時(shí)有吸熱現(xiàn)象，則湯姆遜系數(shù)t 為 正值。湯姆遜系數(shù)的特點(diǎn)是只涉及一種材料的性質(zhì)。溫差與冷端溫度的比值越 大，湯姆遜現(xiàn)象愈明顯。因此，對(duì)于某些計(jì)算考慮湯姆遜熱可以提高計(jì)算精度。 一般因這種熱交換是二級(jí)效應(yīng)，它在電路的熱分析計(jì)其中處于次要地位，可以 忽略不計(jì)。湯姆遜效應(yīng)的起因與珀?duì)柼?yīng)相似，但在湯姆遜效應(yīng)中，載流子的能量 差異是由溫度梯度引起的[13]。湯姆遜系數(shù) 、塞貝克系數(shù)、珀?duì)柼禂?shù)間的關(guān)系如式(28)和(29)所示：p = aTda = t（28）（29）dT T 焦耳效應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)由穩(wěn)定電流產(chǎn)生的熱量等于導(dǎo)體電阻和電流平方的乘積，如式（210）：Q = I 2R = rlJ S（210）式中：Q J ——由焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱量，簡(jiǎn)稱焦耳熱；I ——通過(guò)導(dǎo)體的電流；R——導(dǎo)體的電阻；l——導(dǎo)體的長(zhǎng)度；S——導(dǎo)體的截面積。 溫差電材料熱電性能的表征通常用優(yōu)值 Z 來(lái)衡量溫差電材料的性能或其溫差電轉(zhuǎn)換效率。Z 值可表示為：a 2sZ =l或無(wú)量綱常數(shù) ZT：2（211）ZT = a sTl（212）而熱導(dǎo)率由晶格熱導(dǎo)率 lL 和電子熱導(dǎo)率 l E 兩部分組成，即 l = lL + lE ，故無(wú)量綱優(yōu)值可寫(xiě)為下式表示：ZT =a 2sT（213）式中： Z——優(yōu)值；T——絕對(duì)溫度；s ——電導(dǎo)率；a ——塞貝克系數(shù)；l ——熱導(dǎo)率；L——洛倫茲數(shù)。lL + lE從上式可以看出，較好的溫差電材料必須具有較大的塞貝克系數(shù)，從而保 證有較明顯的溫差電效應(yīng)；同時(shí)應(yīng)具有較小的熱導(dǎo)率使熱量能保持在接頭附近； 另外，還要電阻較小，使產(chǎn)生的焦耳熱量較小。 半導(dǎo)體溫差發(fā)電的工作原理最基本的半導(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。 圖 24 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，使高溫端保持 Th ，低溫端保持 Tc ，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(guò)，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(guò)程中還伴隨著其它可逆的熱電應(yīng)和不可逆的 熱效應(yīng)。其作用就是一個(gè)發(fā)電器。從生產(chǎn)制造的難易程度和節(jié)省成本等方面考慮，半導(dǎo)體溫差發(fā)電器由單個(gè) 發(fā)電單元構(gòu)成是不合理的，它的輸出功率也很低。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在相同質(zhì)量 的半導(dǎo)體用料情況下，用串聯(lián)的方式將若干較小的 np 電偶連接起來(lái)，就形成了半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[14]。在發(fā)電模塊中，每一個(gè)電偶對(duì)都工作在相同的溫差下，起著相同的作用，因此整個(gè)發(fā)電模塊的輸出功率就是單個(gè) np 電偶的輸出 功率乘以總數(shù)的對(duì)數(shù)。從結(jié)構(gòu)上可以看出，半導(dǎo)體熱電偶對(duì)在電路上是串聯(lián)的， 但在傳熱上卻是并聯(lián)的。借助熱交換器等各種手段，使發(fā)電模塊的兩端維持在 一定的溫差下，電流就會(huì)源源不斷的在回路中產(chǎn)生流動(dòng)，這就是半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的基本工作原理。高溫面高溫面溫度低溫面低溫面溫度可變負(fù)載輸出電流圖 24 半導(dǎo)體溫差發(fā)電示意發(fā)電原理可簡(jiǎn)述如下：將兩種不同類型（N 型和 P 型）的半導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)換 材料的一端結(jié)合并將其置于高溫狀態(tài)另一端開(kāi)路并給以低溫。由于半導(dǎo)體材料 的體積電動(dòng)勢(shì) Ev 和接觸電動(dòng)勢(shì) Ec 遠(yuǎn)比金屬大，兩種電動(dòng)勢(shì)的疊加在低溫開(kāi)路 端形成了溫差電動(dòng)勢(shì)。連接 N 和 P 型半導(dǎo)體材料的金屬導(dǎo)電體，因其常以金屬 薄片的形式出現(xiàn)，故稱之為“導(dǎo)流片”。根據(jù)中間導(dǎo)體定律，導(dǎo)流片的存在并不 影響該單元所發(fā)出的溫差電動(dòng)勢(shì)，或者說(shuō)，從電路的特性方面來(lái)說(shuō)，這種連接 方式就像是兩種半導(dǎo)體材料在接點(diǎn)直接接觸一樣。導(dǎo)熱絕緣體的作用是將熱量在整個(gè)面上散開(kāi)，一般用氧化鋁陶瓷片等導(dǎo)熱絕緣材料。將許多對(duì) P 型和 N 型半導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)換材料連接起來(lái)組成模塊，就可得到足夠高的電壓，形成一個(gè)溫 差發(fā)電機(jī)。溫差發(fā)電作為一種熱—電能量直接轉(zhuǎn)換方式，與現(xiàn)行的機(jī)—電變換系統(tǒng)相 比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)轉(zhuǎn)換過(guò)程中不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，不需要附加的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)，因而 結(jié)構(gòu)緊湊，沒(méi)有震動(dòng)和噪聲。(2)在有微小溫差存在的條件下就能將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)選擇合適 的半導(dǎo)體材料類別，可以在很寬的溫度范圍內(nèi)(300K—1400K)利用熱能。(3)安裝、使用簡(jiǎn)便，控制和維護(hù)方便，可長(zhǎng)期免維護(hù)工作。體積小，重量 輕，使得攜帶、運(yùn)輸、保養(yǎng)便利。(4)壽命長(zhǎng)，可靠性高。(5)安全無(wú)污染。熱電材料無(wú)氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)存在，而且在能量轉(zhuǎn)變過(guò)程中 沒(méi)有廢水、廢氣等污染物的排出，是一種對(duì)環(huán)境近乎零排放的能源材料，這對(duì) 于保護(hù)環(huán)境、改善人類生存與可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義，是一種十分理想的 電源。溫差熱電轉(zhuǎn)換效率仍很低，目前一般不超過(guò) 14%，遠(yuǎn)低于普通發(fā)動(dòng)機(jī) 40%的效率，所以在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里溫差發(fā)電還不能取代后者[14]。但溫差發(fā)電具有 的這些突出的優(yōu)點(diǎn)，使得其在宇宙、深海能量利用，航天器持久能量供給以及 核放射能量利用等高科技領(lǐng)域有十分重要的應(yīng)用范圍，也已經(jīng)取得了一些成果。 與此同時(shí)，雖然它在民用工業(yè)應(yīng)用方面的研究才剛剛起步，但它在民用核工業(yè)、 高爐余熱發(fā)電、垃圾燃燒處理熱能發(fā)電等能量再生利用、能量回收的眾多民用 科技領(lǐng)域必將發(fā)揮巨大作用。3 單一溫差發(fā)電模塊性能研究單一溫差發(fā)電模塊是指僅由一塊商用溫差 制 冷 片 組成的發(fā)電器，單塊發(fā)電 模塊性能特點(diǎn)的探討和研究不僅是對(duì)溫差發(fā)電的有益探索，而且也是研究多個(gè) 模塊組合時(shí)發(fā)電性能的必要基礎(chǔ)，因此有必要進(jìn)行較詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。 測(cè)試裝置本實(shí)驗(yàn)中選用型號(hào)為（TECl12706L）發(fā)電模塊進(jìn)行發(fā)電性能測(cè)試，如圖31 為測(cè)試發(fā)電模塊性能原理圖。對(duì)溫差發(fā)電模塊的性能研究主要是以加熱器加 熱來(lái)模擬熱源，熱量通過(guò)鋁片傳入使半導(dǎo)體發(fā)電模塊產(chǎn)生高溫端，同時(shí)用風(fēng)對(duì) 散熱片進(jìn)行冷卻使發(fā)電模塊降溫，產(chǎn)生溫差，保溫材料主要作用是防止熱量散失。在可變負(fù)載下對(duì)發(fā)電模塊的發(fā)電性能進(jìn)行研究，分析其輸出電壓、電流及 最佳輸出功率等特性。（圖 32 性能測(cè)試電路圖）冷 保溫材料 熱 面 面 半風(fēng) 導(dǎo)扇 體 鋁發(fā) 片 熱量 Q電模 塊散熱 保溫材料片圖 31 性能測(cè)試原理圖無(wú) + 紙 + 記 + 錄 +半導(dǎo)體發(fā)電模塊鋁片儀 AV220V圖 32 性能測(cè)試電路圖 空載下發(fā)電模塊性能的研究首先使實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)負(fù)載，在無(wú)負(fù)載的情況下對(duì)其溫差、輸出電壓進(jìn)行測(cè)量， 其測(cè)量結(jié)果如表 1 所示：表 1 無(wú)負(fù)載情況下溫差與輸出電壓溫差05101520253035404550輸出電壓/ U01溫差556065707580859095100輸出電壓/ U通過(guò)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制溫差電壓曲線如圖 33 所示溫差電壓曲線4輸出電壓 / U3210y = + 0 20 40 60 80 100 120溫差 / 度圖 33 溫差電壓曲線在無(wú)負(fù)載的情況下對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)量，對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如 圖 所示。從表中可以很明顯的看出輸出的電壓與溫差的之間為線性關(guān)系，其 比例系數(shù)大約為 ，輸出電壓隨溫差的增大而不斷升高。這充分說(shuō)明在實(shí)驗(yàn) 中盡量增大溫差才能有較大的輸出功率，但是在實(shí)際中，溫差不可能無(wú)限大， 必定有個(gè)最大值，所以輸出的電壓也應(yīng)在一定范圍內(nèi)。 可變負(fù)載下發(fā)電模塊性能的研究在實(shí)驗(yàn)裝置的輸出端加上一個(gè)可變的負(fù)載使負(fù)載分別為 歐、1 歐、歐、2 歐、 歐、3 歐、4 歐、5 歐、6 歐、7 歐、8 歐、9 歐、10 歐，并對(duì)其負(fù) 載在不同溫差下的輸出電壓、輸出電流、輸出功率進(jìn)行測(cè)量與分析。 輸出電壓性能特點(diǎn)在不同溫差下對(duì)可變電阻的輸出電壓測(cè)量結(jié)果如表 2 所示：表 2 可變負(fù)載情況下溫差與輸出電壓輸出 溫差電阻 電壓10 20 30 40 50 60 80 歐1 歐 歐2 歐 歐3 歐4 歐5 歐6 歐7 歐8 歐9 歐10 歐2通過(guò)所測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制溫差電壓曲線圖，如圖 34 所示：溫度電壓曲線輸出電壓 /U 4歐 6歐 8歐 10歐負(fù)載電阻 /歐10度20度30度40度50度60度80度圖 34 溫差電壓曲線通過(guò)繪制的溫差電壓曲線圖可以看出在負(fù)載不變時(shí)，溫差逐漸增大其輸出 電壓也隨之增大，但負(fù)載電阻越小時(shí)這種變化越不明顯。當(dāng)溫差較小時(shí)負(fù)載的 變化對(duì)其輸出電壓影響較小，隨著溫差的增大，負(fù)載的變化對(duì)其輸出電壓影響 約來(lái)越劇烈。當(dāng)溫差、負(fù)載達(dá)到最大時(shí)其輸出電壓也將達(dá)到最大值。 輸出電流性能特點(diǎn)在不同溫差下對(duì)可變電阻的輸出電流測(cè)量結(jié)果如表 3 所示表 3 可變負(fù)載情況下溫差與輸出電流輸出 溫差電阻 電流 10 20 30 40 50 60 80 歐1 歐 歐2 歐 歐3 歐4 歐續(xù)表 35 歐6 歐7 歐8 歐9 歐10 歐通過(guò)所測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制溫差電流曲線如圖 35 所示：通過(guò)繪制的溫差電流曲線圖可以看出在負(fù)載不變時(shí)，溫差逐漸增大其輸出 電流也隨之增大，但負(fù)載電阻越大時(shí)這種變化越不明顯。當(dāng)溫差較小時(shí)負(fù)載的 變化對(duì)其輸出電流影響較小，隨著溫差的增大，負(fù)載的變化對(duì)其輸出電流影響約來(lái)越劇烈。當(dāng)溫差達(dá)到最大值而負(fù)載達(dá)到最小值時(shí)其輸出電流將達(dá)到最大值。溫差電流曲線輸出電流 /A0 4歐 6歐 8歐 10歐負(fù)載電阻 /歐10度20度30度40度50度60度80度圖 35 溫差電流曲線 輸出功率性能特點(diǎn)在不同溫差下對(duì)可變電阻的輸出功率測(cè)量結(jié)果如表 4 所示表 4 可變負(fù)載情況下溫差與輸出功率輸出 溫差電阻 功率10 20 30 40