溫差發(fā)電器

1、溫差發(fā)電器熱電性能測試系統(tǒng)，涉及應用電子技術及熱工技術領域。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)進行處理和分析，輸出控制信號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)測量的是整個溫差發(fā)電器的熱電性能，測得的數(shù)據(jù)直接反映了溫差發(fā)電器整體性能，還具有結構簡單，適應性強等特征。

3、溫差發(fā)電器熱電性能測試系統(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)進行處理和分析，并輸出控制信號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、核反應堆溫差發(fā)電器、烴燃料溫差發(fā)電器、低級熱溫差發(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）的衰變熱能直接轉換成電能的溫差發(fā)電器。

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

5、低級熱溫差發(fā)電器，將各種形式的低溫熱能（包括余熱、廢熱）直接轉換成電能的溫差發(fā)電器。

6、按工作溫度來分類，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、1821年德國科學家塞貝克（T.J. Seebeck）發(fā)現(xiàn)了塞貝克效應，迄今已經(jīng)快200年了。第二次世界大戰(zhàn)末發(fā)現(xiàn)半導體材料后，掀起了探索溫差電材料和器件的熱潮，促進了溫差電理論和技術的發(fā)展。二十世紀五十年代末六十年代初，空間技術飛速發(fā)展，急需一種長壽命、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，英文縮寫為 RTG）成功地應用于空間、地面和海洋。1963年美國將一個輸出電功率2.7W的同位素溫差發(fā)電器Snap3用在軍用導航衛(wèi)星上。1969年到1972年美國人將5個Snap27同位素溫差發(fā)電器 成功地放在月面上作為月面科學儀器供電電源。

3、常規(guī)的溫差發(fā)電器的熱電轉換效率還不到10%。與其它化學和物理電源電源相比，溫差發(fā)電器的效率確實還較低。但是，溫差發(fā)電器具有其它電源尚不具備的優(yōu)點，如壽命很長，應用環(huán)境和使用熱源不受限制，特別是它可以利用所謂低級熱發(fā)電－如工業(yè)廢熱、垃圾燃燒熱、汽車排氣管的余熱以及太陽熱、地熱、海洋熱能等，一直吸引著人們的青睞。1990年起，出于環(huán)境保護和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要，許多國家的政府和公司投入資金用于開發(fā)溫差電技術，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、聲納的電源，或極地、邊界的軍用隱蔽電源、預警系統(tǒng)電源。天然氣燃料溫差發(fā)電器已經(jīng)在世界許多國家的輸油、輸氣管線、通訊網(wǎng)絡上獲得了應用。

由于半導體的溫差電動勢較大因此大都用它來制作溫差發(fā)電器，它是一種新型的電子器件，無噪音、無污染、能量可高效轉換的特點，預示著一場制冷技術革命的開始，溫差發(fā)電，因為在我們的周圍有著太多的“余熱”可以利用，廢汽熱、廢水熱、廢火熱、太陽熱等等；在能源日益緊張的今天，我們溫差發(fā)電的愿望更加強烈。它的出現(xiàn)使任意相態(tài)的物質、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，對于我們隨心所欲。

1、溫差發(fā)電器是利用塞貝克效應，將熱能直接轉換成電能的一種發(fā)電器件。將一個p型溫差電元件和一個n型溫差電元件在熱端用金屬導體電極連接起來，在其冷端分別連接冷端電極，就構成一個溫差電單體或單偶。在溫差電單體開路端接入電阻為RL的外負載，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，則將會有電流流經(jīng)電路，負載上將得到電功率I2RL，因而得到了將熱能直接轉換為電能的發(fā)電器。

2、當發(fā)電器工作時，為保持熱接頭和冷接頭之間有一定的溫度差，應不斷地對熱接頭供熱，而從冷接頭不斷排熱。熱接頭所供給的部分熱量被作為珀爾帖熱吸收了，另一部分則通過熱傳導傳向冷接頭。排出的熱量應為冷接頭放出的珀爾帖熱和從熱接頭傳導來的熱量之和。對于上述接頭的熱平衡，還應加上湯姆遜熱和被導體釋放的焦耳熱。設在系統(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爾帖熱Ph、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)和電導率，降低其熱導率。但是塞貝克系數(shù)、電導率和熱導率都在不同程度上依賴于載流子濃度和遷移率，互相是關聯(lián)的。

溫差發(fā)電器航天方面

美國自1961年起在二十多項空間任務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,質量從2kg到34kg,最高效率已達6.7%,最高質量比功率已達5.2W/kg, 設計壽命為5年。例如著名的阿波羅登月計劃、飛向外層行星的旅游者、海盜號火星著陸器、伽利略飛船等都使用了同位素溫差發(fā)電器。1997年10月，美國成功地發(fā)射了探測土星的卡西尼行星際飛船，有3個同位素溫差發(fā)電器作電源。2006年1月，發(fā)射了探測冥王星的新視野號飛船，用1個RTG作電源。這些同位素溫差發(fā)電器的使用壽命都超過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發(fā)中應用也日益增多?，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、海底聲納、海底微波中繼站、自動氣象站和地震測試站電源。

溫差發(fā)電器軍事方面

美軍研制了前沿陣地使用的機動性高、無聲、質量輕、能無人維護長期運行的液體燃料溫差發(fā)電器，供夜視裝置、雷達、導航設備、電臺和指揮系統(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，可便攜或可作車載輔助電源。加拿大環(huán)球溫差電公司生產(chǎn)的燃氣溫差發(fā)電器已經(jīng)在世界許多國家的輸油、輸氣管線、通訊網(wǎng)絡上獲得了應用。

溫差發(fā)電器環(huán)保方面

在低級熱利用方面，溫差發(fā)電器也很有前途。低級熱，包括工業(yè)廢熱、垃圾燃燒熱、汽車排氣管的余熱、太陽熱、地熱、海洋熱能等，熱源的溫度范圍寬廣。采用溫差發(fā)電技術大規(guī)模利用低級熱，可以開發(fā)出結構簡單、維護少，而且是無公害的干凈能源。很多專家認為，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，是最好的低峰儲能方式之一。

溫差發(fā)電器的主要性能參數(shù)包括：開路電壓、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)電器開路電壓

溫差發(fā)電器的開路電壓，指溫差發(fā)電器負載開路時發(fā)電器輸出端的電壓。符號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)電器是一種長壽命的電源。其壽命一般可達幾年到十幾年。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間。

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

1、熱面溫度的維持和控制，如溫差發(fā)電器的熱面溫度過高，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)電器的熱面溫度應當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到一定值。因此，RTG的設計就應當保證其在加燃料運行時熱面溫度不會高于允許溫度值。由于溫差發(fā)電器內(nèi)部溫度場對環(huán)境溫度的變化很敏感。當環(huán)境溫度升高時，熱面溫度和冷面溫度都會增高，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，特別是月晝，要充分考慮和解決其散熱問題。

2、電源控制器，對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很長，溫差電換能器中溫差電單體對數(shù)也不可能任意增加。因此，一般來說，溫差發(fā)電器的開路電壓比較低。若用電器需要高電壓供電，必須設計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,與太陽電池、化學電池不同，而且其輸出特性對環(huán)境溫度的變化很敏感，電源控制器的設計應當充分考慮到這些因素。珀爾帖效應可以消耗溫差發(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。

溫差電材料原則上可用通常的單晶體生長工藝來制備。但單晶體工藝需要精密的設備，操作復雜，成本較高。在實踐中溫差電材料 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率、較高的機械強度，但是卻降低了電導率。相對而言，區(qū)域熔煉法可制備電導率較高的溫差電材料，但同時也提高了材料的熱導率。粉末冶金工藝，常規(guī)的有冷壓法和熱壓法，近年來又發(fā)展了機械合金法（MA）、粉碎混合燒結（PIES）法、擠壓法和放電等離子燒結法（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。

1、溫差電技術領域 ，極大部分努力都在提高溫差發(fā)電器的熱電轉換效率。對空間應用來說，非常重要的是提高其重量比功率。提高熱電轉換效率最主要的途徑是提高溫差電材料的優(yōu)值。具體來說就是改善現(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)電器的熱電轉換效率，最終的結果，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。美國航天局（NASA）制定了空間核創(chuàng)新計劃，開發(fā)先進的放射性同位素電源系統(tǒng)和空間核反應堆電源系統(tǒng)。后來該計劃更名為普魯米修斯核電源和推進計劃。計劃目標是面對未來火星科學站網(wǎng)絡、小型電推進器、具有復雜機動能力的深空探測小型飛行器等各種空間新任務，開發(fā)核電源，大大擴展人類在行星或月球表面移動實驗室、深空探測的能力。

3、普魯米修斯計劃要求研制的同位素電源系統(tǒng)增加比功率，同時減少同位素量，以降低飛行成本。目標：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)電器要求其熱冷結點溫度 （T_b、T_c）間差值盡可能增大，溫差電材料的品質因素Z（為溫差電動勢率、 電導率和熱導率的函數(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。利用珀耳帖效應可制作溫差電致電器。目前所用材料均為半導體，性能最好的為以Bi₂Te₃為基的固溶體材料。

半導體致冷器無機械轉動部件、無致冷劑、無噪音、可小型化， 且改變電流方向變致冷為加熱，是理想的無污染致冷器，可用于冰箱、冷藏箱、冷飲器、冷熱箱及科學測試儀器中降溫和醫(yī)學設備中冷凍。