溫差發(fā)電的原理

熱電轉(zhuǎn)換材料具有3個基本效應(yīng), 即Peltier效應(yīng)、Seebeck效應(yīng)和Thomson效應(yīng), 這3個效應(yīng)奠定了熱力學(xué)中熱電理論的基礎(chǔ), 也為熱電轉(zhuǎn)換材料的實際應(yīng)用展示了廣闊的前景. 溫差電是利用材料的Seebeck效應(yīng), 通過載流子(電子和空穴)進(jìn)行能量的輸運. 該效應(yīng)于1821年由德國人Seebeck發(fā)現(xiàn): 在兩種不同金屬(銻與銅)構(gòu)成的回路中, 如果兩個接頭處存在溫度差, 其周圍就會出現(xiàn)磁場. 通過進(jìn)一步的實驗, Seebeck發(fā)現(xiàn)回路中存在電動勢. Seebeck效應(yīng)是制作測溫?zé)犭娕?、溫?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/發(fā)電">發(fā)電和溫差電傳感器的基礎(chǔ).
溫差發(fā)電的原理如圖1所示: 將兩種不同類型的熱電轉(zhuǎn)換材料N和P的一端結(jié)合并將其置于高溫狀態(tài), 另一端開路并給以低溫. 由于高溫端的熱激發(fā)作用較強(qiáng), 此端的空穴和電子濃度比低溫端高, 在這種載流子濃度梯度的驅(qū)動下, 空穴和電子向低溫端擴(kuò)散, 從而在低溫開路端形成電勢差. 將許多對P型和N型熱電轉(zhuǎn)換材料連接起來組成模塊, 就可得到足夠高的電壓, 形成一個溫差發(fā)電機(jī). 這種發(fā)電機(jī)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, 且轉(zhuǎn)換過程中不需要機(jī)械運動部件, 也無氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)存在, 因此適應(yīng)范圍廣、體積小、重量輕、安全可靠、對環(huán)境無任何污染, 是十分理想的電源. 溫差發(fā)電的靈活、綠色、安靜和微小體積的特性, 使其可在許多領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用.

圖1 利用熱電模塊進(jìn)行溫差發(fā)電的原理