溫差發(fā)電的原理

熱電轉換材料具有3個(gè)基本效應, 即Peltier效應、Seebeck效應和Thomson效應, 這3個(gè)效應奠定了熱力學(xué)中熱電理論的基礎, 也為熱電轉換材料的實(shí)際應用展示了廣闊的前景. 溫差電是利用材料的Seebeck效應, 通過(guò)載流子(電子和空穴)進(jìn)行能量的輸運. 該效應于1821年由德國人Seebeck發(fā)現: 在兩種不同金屬(銻與銅)構成的回路中, 如果兩個(gè)接頭處存在溫度差, 其周?chē)蜁?huì )出現磁場(chǎng). 通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗, Seebeck發(fā)現回路中存在電動(dòng)勢. Seebeck效應是制作測溫熱電偶、溫差發(fā)電和溫差電傳感器的基礎.
溫差發(fā)電的原理如圖1所示: 將兩種不同類(lèi)型的熱電轉換材料N和P的一端結合并將其置于高溫狀態(tài), 另一端開(kāi)路并給以低溫. 由于高溫端的熱激發(fā)作用較強, 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動(dòng)下, 空穴和電子向低溫端擴散, 從而在低溫開(kāi)路端形成電勢差. 將許多對P型和N型熱電轉換材料連接起來(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. 這種發(fā)電機在有微小溫差存在的條件下就能將熱能直接轉化為電能, 且轉換過(guò)程中不需要機械運動(dòng)部件, 也無(wú)氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)存在, 因此適應范圍廣、體積小、重量輕、安全可靠、對環(huán)境無(wú)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