溫差發(fā)電器概述

由于半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)較大因此大都用它來(lái)制作溫差發(fā)電器，它是一種新型的電子器件，無(wú)噪音、無(wú)污染、能量可高效轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，預(yù)示著一場(chǎng)制冷技術(shù)革命的開(kāi)始，溫差發(fā)電，因?yàn)樵谖覀兊闹車(chē)兄嗟摹坝酂帷笨梢岳茫瑥U汽熱、廢水熱、廢火熱、太陽(yáng)熱等等；在能源日益緊張的今天，我們溫差發(fā)電的愿望更加強(qiáng)烈。它的出現(xiàn)使任意相態(tài)的物質(zhì)、任意局部環(huán)境的溫度的智能化、數(shù)字化、程序化控制，成為可能。想冷，即冷；想熱，即熱。溫度的控制，對(duì)于我們隨心所欲。

1、1821年德國(guó)科學(xué)家塞貝克（T.J. Seebeck）發(fā)現(xiàn)了塞貝克效應(yīng)，迄今已經(jīng)快200年了。第二次世界大戰(zhàn)末發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料后，掀起了探索溫差電材料和器件的熱潮，促進(jìn)了溫差電理論和技術(shù)的發(fā)展。二十世紀(jì)五十年代末六十年代初，空間技術(shù)飛速發(fā)展，急需一種長(zhǎng)壽命、抗輻照的電源。

2、1960年代初就有一批放射性同位素溫差發(fā)電器（Radioisotope Thermoelectric Generator，英文縮寫(xiě)為 RTG）成功地應(yīng)用于空間、地面和海洋。1963年美國(guó)將一個(gè)輸出電功率2.7W的同位素溫差發(fā)電器Snap3用在軍用導(dǎo)航衛(wèi)星上。1969年到1972年美國(guó)人將5個(gè)Snap27同位素溫差發(fā)電器 成功地放在月面上作為月面科學(xué)儀器供電電源。

3、常規(guī)的溫差發(fā)電器的熱電轉(zhuǎn)換效率還不到10%。與其它化學(xué)和物理電源電源相比，溫差發(fā)電器的效率確實(shí)還較低。但是，溫差發(fā)電器具有其它電源尚不具備的優(yōu)點(diǎn)，如壽命很長(zhǎng)，應(yīng)用環(huán)境和使用熱源不受限制，特別是它可以利用所謂低級(jí)熱發(fā)電－如工業(yè)廢熱、垃圾燃燒熱、汽車(chē)排氣管的余熱以及太陽(yáng)熱、地?zé)帷⒑Ｑ鬅崮艿?，一直吸引著人們的青睞。1990年起，出于環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要，許多國(guó)家的政府和公司投入資金用于開(kāi)發(fā)溫差電技術(shù)，在全球范圍內(nèi)又一次掀起了研發(fā)這種綠色電源的熱浪。

4、RTG是月球表面和深太空航天器的首選電源。RTG也可以用作海上浮標(biāo)、聲納的電源，或極地、邊界的軍用隱蔽電源、預(yù)警系統(tǒng)電源。天然氣燃料溫差發(fā)電器已經(jīng)在世界許多國(guó)家的輸油、輸氣管線、通訊網(wǎng)絡(luò)上獲得了應(yīng)用。

1、溫差發(fā)電器熱電性能測(cè)試系統(tǒng)，涉及應(yīng)用電子技術(shù)及熱工技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于它含有緊貼在溫差發(fā)電器的熱面，為溫差發(fā)電器的熱面加熱的電加熱熱源單元；緊貼在溫差發(fā)電器的冷面、為溫差發(fā)電器的冷面降溫的循環(huán)冷卻水回路熱阱單元；采集溫差發(fā)電器熱面和冷面溫度，溫差發(fā)電器輸出的電流和電壓，循環(huán)冷卻水回路熱阱單元的流量、液溫，將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，輸出控制信號(hào)到電加熱熱源單元的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理單元。

2、本系統(tǒng)測(cè)量的是整個(gè)溫差發(fā)電器的熱電性能，測(cè)得的數(shù)據(jù)直接反映了溫差發(fā)電器整體性能，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)等特征。

3、溫差發(fā)電器熱電性能測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，它含有： 電加熱熱源單元：緊貼在溫差發(fā)電器的熱端面，為溫差發(fā)電器的熱端面加熱； 循環(huán)冷卻水回路熱阱單元：緊貼在溫差發(fā)電器的冷端面、為溫差發(fā)電器的冷端面降溫； 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理單元：采集溫差發(fā)電器熱端面和冷端面溫度，溫差發(fā)電器輸出的電流和電壓，循環(huán)冷卻水回路熱阱單元的流量、液溫，將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并輸出控制信號(hào)到所述電加熱熱源單元。

1、按使用的熱源分類，溫差發(fā)電器可分為放射性同位素溫差發(fā)電器、核反應(yīng)堆溫差發(fā)電器、烴燃料溫差發(fā)電器、低級(jí)熱溫差發(fā)電器等。

2、放射性同位素溫差發(fā)電器(RTG)是將放射性同位素（如Pu-238, Sr-90,Po-210等）的衰變熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的溫差發(fā)電器。

3、核反應(yīng)堆溫差發(fā)電器是將原子能反應(yīng)堆中燃料裂變產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的溫差發(fā)電器。

4、烴燃料溫差發(fā)電器，燃燒氣體烴燃料或液體烴燃料產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的溫差發(fā)電器。

5、低級(jí)熱溫差發(fā)電器，將各種形式的低溫?zé)崮埽òㄓ酂?、廢熱）直接轉(zhuǎn)換成電能的溫差發(fā)電器。

6、按工作溫度來(lái)分類，溫差發(fā)電器可分為高溫溫差發(fā)電器、中溫差發(fā)電器和低溫溫差發(fā)電器三大類。高溫溫差發(fā)電器，其熱面工作溫度一般在700℃以上，使用的典型溫差電材料是硅鍺合金（SiGe）;中溫溫差發(fā)電器，其熱面工作溫度一般在400℃～500℃，使用的典型溫差電材料是碲化鉛（PbTe）; 低溫溫差電器， 其熱面工作溫度一般在400℃以下，使用的典型溫差電材料是碲化鉍（Bi2Te3）。

1、溫差發(fā)電器是利用塞貝克效應(yīng)，將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種發(fā)電器件。將一個(gè)p型溫差電元件和一個(gè)n型溫差電元件在熱端用金屬導(dǎo)體電極連接起來(lái)，在其冷端分別連接冷端電極，就構(gòu)成一個(gè)溫差電單體或單偶。在溫差電單體開(kāi)路端接入電阻為RL的外負(fù)載，如果溫差電單體的熱面輸入熱流，在溫差電單體熱端和冷端之間建立了溫差，則將會(huì)有電流流經(jīng)電路，負(fù)載上將得到電功率I2RL，因而得到了將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電器。

2、當(dāng)發(fā)電器工作時(shí)，為保持熱接頭和冷接頭之間有一定的溫度差，應(yīng)不斷地對(duì)熱接頭供熱，而從冷接頭不斷排熱。熱接頭所供給的部分熱量被作為珀?duì)柼麩嵛樟?，另一部分則通過(guò)熱傳導(dǎo)傳向冷接頭。排出的熱量應(yīng)為冷接頭放出的珀?duì)柼麩岷蛷臒峤宇^傳導(dǎo)來(lái)的熱量之和。對(duì)于上述接頭的熱平衡，還應(yīng)加上湯姆遜熱和被導(dǎo)體釋放的焦耳熱。設(shè)在系統(tǒng)中所產(chǎn)生的焦耳熱I2Ri中有一半傳到熱端，另一半由冷端放出，熱源所消耗的熱量是珀?duì)柼麩酨h、由于熱傳遞遷移到冷端的熱PT和交還給熱源的焦耳熱 三部分組成， 即為溫差電單體的熱電轉(zhuǎn)換效率是有用功率與熱源所消耗的熱量之比。要想得到優(yōu)值高的溫差電材料，只有提高其塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率，降低其熱導(dǎo)率。但是塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率都在不同程度上依賴于載流子濃度和遷移率，互相是關(guān)聯(lián)的。

溫差發(fā)電器的主要性能參數(shù)包括：開(kāi)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等。

溫差發(fā)電器開(kāi)路電壓

溫差發(fā)電器的開(kāi)路電壓，指溫差發(fā)電器負(fù)載開(kāi)路時(shí)發(fā)電器輸出端的電壓。符號(hào)ε，單位V

溫差發(fā)電器輸出電功率

溫差發(fā)電器的輸出電功率 ，等于負(fù)載上的電壓和回路電流的乘積。

溫差發(fā)電器溫差發(fā)電器的效率

指熱電轉(zhuǎn)換效率，定義為溫差發(fā)電器的輸出電功率與輸入熱功率之比。

溫差發(fā)電器壽命和功率衰降率

溫差發(fā)電器是一種長(zhǎng)壽命的電源。其壽命一般可達(dá)幾年到十幾年。溫差發(fā)電器的壽命規(guī)定為溫差發(fā)電器從正常工作到輸出功率衰降到低于額定功率值一刻的時(shí)間。

溫差發(fā)電器的功率衰降率，指的是單位時(shí)間內(nèi)溫差發(fā)電器輸出功率衰降的百分?jǐn)?shù)。

溫差發(fā)電器重量比功率

溫差發(fā)電器重量比功率定義為溫差發(fā)電器的輸出功率與溫差發(fā)電器總重量之比值。

溫差電材料原則上可用通常的單晶體生長(zhǎng)工藝來(lái)制備。但單晶體工藝需要精密的設(shè)備，操作復(fù)雜，成本較高。在實(shí)踐中溫差電材料 往往采用多晶或定向多晶材料。通常，制備溫差電材料的方法是粉末冶金法以及區(qū)域熔煉法。用粉末冶金法制備的溫差電材料往往具有較低的熱導(dǎo)率、較高的機(jī)械強(qiáng)度，但是卻降低了電導(dǎo)率。相對(duì)而言，區(qū)域熔煉法可制備電導(dǎo)率較高的溫差電材料，但同時(shí)也提高了材料的熱導(dǎo)率。粉末冶金工藝，常規(guī)的有冷壓法和熱壓法，近年來(lái)又發(fā)展了機(jī)械合金法（MA）、粉碎混合燒結(jié)（PIES）法、擠壓法和放電等離子燒結(jié)法（SPS法）。通常，PbTe及SiGe合金用粉末冶金工藝制備，Bi2Te3及其合金用區(qū)域熔煉法，也可用熱壓工藝或擠壓工藝制備。下面僅介紹粉末冶金法和區(qū)融熔煉法制備溫差電材料的工藝。

溫差發(fā)電器航天方面

美國(guó)自1961年起在二十多項(xiàng)空間任務(wù)中使用同位素溫差發(fā)電器做電源。這些同位素溫差發(fā)電器的輸出電功率從2.7W到300W,質(zhì)量從2kg到34kg,最高效率已達(dá)6.7%,最高質(zhì)量比功率已達(dá)5.2W/kg, 設(shè)計(jì)壽命為5年。例如著名的阿波羅登月計(jì)劃、飛向外層行星的旅游者、海盜號(hào)火星著陸器、伽利略飛船等都使用了同位素溫差發(fā)電器。1997年10月，美國(guó)成功地發(fā)射了探測(cè)土星的卡西尼行星際飛船，有3個(gè)同位素溫差發(fā)電器作電源。2006年1月，發(fā)射了探測(cè)冥王星的新視野號(hào)飛船，用1個(gè)RTG作電源。這些同位素溫差發(fā)電器的使用壽命都超過(guò)19年，有的已經(jīng)工作30多年 。

溫差發(fā)電器日常方面

同位素溫差發(fā)電器在地面和海洋開(kāi)發(fā)中應(yīng)用也日益增多?，F(xiàn)已使用的同位素溫差發(fā)電器功率范圍在幾毫瓦到數(shù)百瓦、上千瓦。主要用于燈塔、航標(biāo)、海底聲納、海底微波中繼站、自動(dòng)氣象站和地震測(cè)試站電源。

溫差發(fā)電器軍事方面

美軍研制了前沿陣地使用的機(jī)動(dòng)性高、無(wú)聲、質(zhì)量輕、能無(wú)人維護(hù)長(zhǎng)期運(yùn)行的液體燃料溫差發(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。這種發(fā)電器可使用柴油、汽油等多種液體燃料，功率從幾十瓦到一千瓦，可便攜或可作車(chē)載輔助電源。加拿大環(huán)球溫差電公司生產(chǎn)的燃?xì)鉁夭畎l(fā)電器已經(jīng)在世界許多國(guó)家的輸油、輸氣管線、通訊網(wǎng)絡(luò)上獲得了應(yīng)用。

溫差發(fā)電器環(huán)保方面

在低級(jí)熱利用方面，溫差發(fā)電器也很有前途。低級(jí)熱，包括工業(yè)廢熱、垃圾燃燒熱、汽車(chē)排氣管的余熱、太陽(yáng)熱、地?zé)帷⒑Ｑ鬅崮艿?，熱源的溫度范圍寬廣。采用溫差發(fā)電技術(shù)大規(guī)模利用低級(jí)熱，可以開(kāi)發(fā)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)少，而且是無(wú)公害的干凈能源。很多專家認(rèn)為，溫差發(fā)電器 利用這些熱能，可直接產(chǎn)生低壓大電流，如用于電解水制氫，是最好的低峰儲(chǔ)能方式之一。

1、熱面溫度的維持和控制，如溫差發(fā)電器的熱面溫度過(guò)高，焊接接頭容易脫落，某些溫差電材料的升華率也急劇增加，極易引起溫差發(fā)電器失效。所以溫差發(fā)電器的熱面溫度應(yīng)當(dāng)控制和維持在額定溫度以下。RTG加入同位素燃料后，熱面溫度將不可控地達(dá)到一定值。因此，RTG的設(shè)計(jì)就應(yīng)當(dāng)保證其在加燃料運(yùn)行時(shí)熱面溫度不會(huì)高于允許溫度值。由于溫差發(fā)電器內(nèi)部溫度場(chǎng)對(duì)環(huán)境溫度的變化很敏感。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，熱面溫度和冷面溫度都會(huì)增高，必須采取措施，創(chuàng)造有利的散熱條件，將熱面溫度和冷面溫度降低至合理的溫度范圍。例如，RTG發(fā)射和著陸以前，又如執(zhí)行月面任務(wù)，特別是月晝，要充分考慮和解決其散熱問(wèn)題。

2、電源控制器，對(duì)于一定功率的溫差發(fā)電器，由于工藝原因，溫差電元件的尺寸不可能很細(xì)很長(zhǎng)，溫差電換能器中溫差電單體對(duì)數(shù)也不可能任意增加。因此，一般來(lái)說(shuō)，溫差發(fā)電器的開(kāi)路電壓比較低。若用電器需要高電壓供電，必須設(shè)計(jì)和使用與之匹配的升壓器。溫差發(fā)電器的伏安特性呈線性,與太陽(yáng)電池、化學(xué)電池不同，而且其輸出特性對(duì)環(huán)境溫度的變化很敏感，電源控制器的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分考慮到這些因素。珀?duì)柼?yīng)可以消耗溫差發(fā)電器的輸入熱量，降低其熱面溫度。因此，空間應(yīng)用的溫差發(fā)電器，在著落前，即發(fā)射、變軌、軌道等階段，處于短路狀態(tài)較為有利。

1、溫差電技術(shù)領(lǐng)域 ，極大部分努力都在提高溫差發(fā)電器的熱電轉(zhuǎn)換效率。對(duì)空間應(yīng)用來(lái)說(shuō)，非常重要的是提高其重量比功率。提高熱電轉(zhuǎn)換效率最主要的途徑是提高溫差電材料的優(yōu)值。具體來(lái)說(shuō)就是改善現(xiàn)有溫差電材料的熱電性能、研究新型溫差電材料、開(kāi)發(fā)功能梯度溫差電材料，以及降低溫差電材料的維數(shù)。

2、提高溫差電材料的優(yōu)值，增加了溫差發(fā)電器的熱電轉(zhuǎn)換效率，最終的結(jié)果，降低了溫差發(fā)電器的成本（特別是RTG的成本），改善了溫差發(fā)電器的重量比功率。美國(guó)航天局（NASA）制定了空間核創(chuàng)新計(jì)劃，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的放射性同位素電源系統(tǒng)和空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)。后來(lái)該計(jì)劃更名為普魯米修斯核電源和推進(jìn)計(jì)劃。計(jì)劃目標(biāo)是面對(duì)未來(lái)火星科學(xué)站網(wǎng)絡(luò)、小型電推進(jìn)器、具有復(fù)雜機(jī)動(dòng)能力的深空探測(cè)小型飛行器等各種空間新任務(wù)，開(kāi)發(fā)核電源，大大擴(kuò)展人類在行星或月球表面移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、深空探測(cè)的能力。

3、普魯米修斯計(jì)劃要求研制的同位素電源系統(tǒng)增加比功率，同時(shí)減少同位素量，以降低飛行成本。目標(biāo)：比功率增加2倍，即從RTG的4.5We/kg，提高到8-10We/kg，效率從5.7%提高到2到4倍。

溫差電偶材料有銀 和鉍、錳和銅鎳合金、銅和銅鎳合金、 鉍和鉍錫合金等。用若干對(duì)溫差電偶串聯(lián)（或并聯(lián)）還可制成溫差發(fā)電器 。

制作溫差發(fā)電器要求其熱冷結(jié)點(diǎn)溫度 （T_b、T_c）間差值盡可能增大，溫差電材料的品質(zhì)因素Z（為溫差電動(dòng)勢(shì)率、 電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的函數(shù)）盡量高。

不同溫度下的最佳溫差發(fā)電材料不同： 300℃以下P型為Bi₂Te₃-Sb₂Te₃；N 型為Bi₂Te₃-Bi₂Se₃; 300～600℃下有 PbTe、PbTe-SnTe、PbTe-PbSe、GeTe 及AgSbTe等；600～1000℃下有 GeSi合金和MnTe等。

溫差發(fā)電器可利用固、液、氣態(tài)燃料及太陽(yáng)能、核能、 廢能等多種能源，適用作衛(wèi)星、海上燈塔等的電源。利用珀耳帖效應(yīng)可制作溫差電致電器。目前所用材料均為半導(dǎo)體，性能最好的為以Bi₂Te₃為基的固溶體材料。

半導(dǎo)體致冷器無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件、無(wú)致冷劑、無(wú)噪音、可小型化， 且改變電流方向變致冷為加熱，是理想的無(wú)污染致冷器，可用于冰箱、冷藏箱、冷飲器、冷熱箱及科學(xué)測(cè)試儀器中降溫和醫(yī)學(xué)設(shè)備中冷凍。