温差电技术及其应用
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缺点：效率较低，一般的不到10%。
放射性同位素温差发电器的 空间应用
飞出太阳系
登月任务 （1969-1972）
导航卫星
通信卫星
气象卫星
火星着陆
探测土星 探测木星
放射性同位素温差发电器 （RTG）
GPHS-RTG
Snap 3
Snap 19
Snap27 放射性同位素温差发电器在月球上
卡西尼飞船
1997年10月15日，美国成功发射了卡 西尼探测器，开始了全面考察土星家 族的征程。2004年7月1日，进入土星 轨道，开始为期四年的探测和研究工 作。
燃气温差发电器
中国制造-1980年代初 我国自1960年代末开始温差发电技 术研究的。
微型温差电池及其特点
利用环境热源，建立温差就能产生电能。可用各种 热源：工业过程热、暖气管道、太阳能、动物机体 （包括人体），等等。 结构致密、体积小 安装方便、无需维护 寿命长 不释放有害物质，环境友好
微温差电池的应用
温差电致冷器件的进展 及其应用
温差电致冷的特点
温差电致冷组件是利用珀尔帖效应工作的热泵，可用 于致冷,也可以致热。 它是一种没有转动部件的固态器 件，寿命长，工作时无噪声，又不会释放有害物质（如 氟氯烃），能在任意角度安装运行，调节电压或电流时 可以精确控制温度。由于它具有的一系列优点，在国防、 工业、农业、科学研究各领域都得到了广泛的应用。
低噪声放大器（雷达） 电子元器件温控 晶体震荡器恒温 计算机芯片和微处理器冷却 磁记录仪、磁盘、光盘冷却 恒温槽（半导体工艺） 恒温板（半导体工艺） 液体循环冷却器（半导体工艺） 大规模集成电路高低温试验装置 军用仪器方舱
用途：工业和科学仪器
恒温槽 恒温板 冷藏箱 去湿器 露点仪
应用：浮标、声呐，等。
烧油的温差发电器
500W燃油温差发电器
Global公司的燃气温差发电器
8550型温差发电器
5120型温差发电器
应用：输气管线阴极保护、微波中继站等。
俄罗斯BIAPOS公司的 燃气温差发电器
Cຫໍສະໝຸດ BaiduTEG-HG -90\24
性能参数：
功率：90 W 额定电压：24 V 寿命：10 年
Amerigon
Amerigon 收购了德國上市企業——汽車熱控制和電 子元件公司 W.E.T. Automotive Systems AG（威意特汽 車系統股份公司）。
Amerigon 總裁兼行政總裁 Daniel R. Coker 把收購 W.E.T. 描述為 Amerigon 讓自身可以更好地滿足全球汽 車市場需求的重要策略。
光电子器件应用的致冷组件
红外探测器致冷
光电子器件应用的致冷组件
温差电致冷红外热像
DNA复制仪器
消费类温差电致冷应用产品
冷藏箱
啤酒机 红酒柜
用途：光电子学
激光二极管（光通讯等） CCD摄像机 红外探测器 光电倍增管 其它红外分析仪器 红外定标源 标准黑体
用途：电子器件和工业
物联网的电源 生产过程控制器、执行器电源 人体监测仪器的电源
微温 差电
池
可穿戴设备？？
精工手表微型温差电池
# 体温发电 # 微瓦级
为什么要微型化？
德国的micropelt公司的微型温差电组件
尺寸 (mm): 冷面: 0.72 X 0.72 热面: 1.47 X 0.72 厚度: 0.428 最大温差: ΔT=48 K 热面温度: 85°C 致冷功率 (ΔT=20 K): 0.3 W
第二个阶段发生在二十世纪四十年代到七十年代。 1949年苏联科学家约飞提出了半导体温差电能量转换理论。 1942年, 苏联科学家制成用火焰加热的温差发电器，温差电材料
是锌锑合金和康铜，效率达到1.5%-2%。同年，美国制成军用便 携式温差发电器，温差电材料是碲化铅，效率不到1%。 1963年, 美国将一个输出电功率2.7W的同位素温差发电器Snap3 用在军用导航卫星上。1969年到1972年, 美国人将5个Snap27 同位素温差发电器成功地放在月面上作为月面科学仪器供电电源。 1990年起，温差电学又遇到了一个好机会，得以蓬勃发展。 节能和环保的需要。
Amerigon
冷热杯
电池温度控制系统
感谢您的 批评指正！
温差电致冷参数
致 冷 功 率 / W
温差/oC
温差电致冷组件的结构
常规的单级温差电致 冷组件是由若干对温 差电偶电串联构成。 温差电元件呈矩形截 面。流行的结构中铜 制导流片连接P、N 型元件，用高纯氧化 铝(或氧化铍、氮化 铝)陶瓷片在冷面和 热面与外界耦合。
温差电致冷组件
温差电致冷的优点
塞贝克效应
在两种不同的半导体（或导体）构成的开路电路 中，如果两个接头具有不同的温度，则在串入电路中 的电压表上可测得电动势，这称为温差电动势。
I rL rr
pmax
2
4ri
2
4
I UL
珀尔帖效应
当电流通过不同的导体构 成的回路时，在接头处除 了要放出焦耳热（即电阻 产生的损耗）外，还将放 出或吸收某一热量。这一 热量称为珀尔帖热。
很早就有人开始利用塞贝克效应来测量温度。这就是 我们常用的热电偶。
十九世纪末就有人提出利用温差电效应发电的问题。 1911年德国人阿登克希提出了温差发电和温差电致冷理 论，并得到了温差电器件基本参量的热力学公式。但是， 长期以来由于在技术上没有找到一种有效的可供发电或 致冷的材料，因此，没有付诸现实。
2004年12月25日，卡西尼i释放惠 更斯探测器。2005年月15日,惠更 斯探测器在土卫六上着陆。这次 探测活动将揭开土卫六有无生命 之谜。
Tips
先进RTG
同位素热源 （8个GPHS同位素热 源组件）
温差电换能器 （PbTe/TAGS）
好奇号火星车及放射性同位素温差发电器 RTG
海洋应用的 锶-90同位素温差发电器
温差电空调/加热器（ HAVC）
温差电产品 在汽车行业的应用
Amerigon (亚美利贡公司)
Amerigon（纳斯达克总部：ARGN）开发先进、专有、 高效的温差电（TE）技术为基础的加热和冷却的应用产 品。该公司目前的主要产品是其专有的气候控制座椅® （CCS®）系统，这是固态、温差电技术为基础的系统， 允许司机和乘客单独和主动地控制各自座位的加热和冷 却，以确保全年内最大舒适。Amerigon的CCS系统包括 温差电技术为基础的加热和冷却系统、加热和通风座椅 系统。 CCS，是当今市场唯一类型的系统，不使用氟氯 烃或其他环境敏感制冷剂。
Amerigon
据Amerigon公司2010年四季度报告，该公司2010年 产品收入从2009年的6090万美元增长到创纪录11240万 美元，增长了84%。收入增长的主要动力来自现有公司 的产品--气候控制座椅系统，以及新模式的引进，等等。 第三季度末该公司推出了采用温差电技术的主动加热和 冷却的豪华座垫。第四季度推出了加热和冷却的杯托。
零点仪（冰点仪） 量热计 石油凝固点分析仪 空气冷却器 液体冷却器
用途：医学和生物仪器
血样冷却器 切片机冷冻台 显微镜冷冻台 医用冷帽 医用低温床垫 氨基酸分析仪 生物反应器
温差发电器件的进展 及其应用
温差发电器是一种没有转动部件的固态器 件，体积小、寿命长，可以耐受恶劣环境条 件，工作时无噪声，而且无须维护。空间应 用的放射性同位素温差发电器是目前可靠性 最高、工作寿命最长、技术最成熟的热－电 能量转换方式。
温差发电技术-余热利用
上：1 kW 温差发电器用 于柴油动力车余热回收
下：1 kW温差发电器 正在安装
汽车余热发电
2008年10月，德国柏林举办了一个名为“温差电技术-汽车工业的机遇”的会议。 会上展示了一辆安装温差发电器的大众牌家用轿车，该温差发电器可在高速公路行 驶条件下为汽车提供600W电功率，满足其30%用电需要，减少燃料消耗5%以上。
1) 小型化：一般情况下，温差电致冷器外形尺寸和体积远远小于机械制冷系统， 重量也比较轻。各种标准的、特殊尺寸和结构的温差电致冷组件可供选择，适用 于各种应用要求。
2) 具有致冷和加热两种功能：改变直流电源的极性，同一致冷器可实现加热和致 冷两种功能。 3) 精确温控：使用合适的闭环温控电路，可实现温度控制。温差电致冷器控温精 度可优于0.1℃. 4) 高可靠性：温差电致冷组件是固体器件，无运动部件，因此失效率低。典型的 温差电致冷器的寿命大于二十万小时。 5) 工作时无声：与机械制冷系统不一样，温差电致冷器工作时不产生噪音。 6) 可使用常规电源：温差电致冷器对电源要求不高。可使用一般直流电源，工作 电压和电流可在大范围内调整。 7) 可实现点致冷：可只冷却一专门的元件或特定的面积，不必要冷却一完整的封 装外壳和整体。 8) 绿色器件：温差电致冷器不会释放氟氯烃或其它有害化学物质，不危害环境。 温差电致冷器是一种绿色无公害半导体器件。
Bi2Te3材料 薄膜工艺 MEMS 技术
最近进展介绍
温差发电：余热回收
废热
温差发电：汽车余热回收
目前，仅用25% 排气：40%！！！
美国：温差电能量回收工程
美国能源部启动了运载工具温差电能量回收工程， 开发有效而实用的温差发电系统，将汽车发动机的废 热转换成电能以改善燃料的经济性。工程第一阶段， 分析系统的技术可行性。工程第二阶段，集中于开发 工程零部件、演示工程可行性。第三阶段将构建完整 的原型样机。计划的最终目标是使用开发的温差电技 术建立一种能量回收系统，减少能量消耗和二氧化碳 排放，并在标准车辆上实现工程化。
Micropelt的工艺
溅射工艺制作温差电元件
芯片一面的结构 一个温差电元件，俯视图
Micropelt微型温差电致冷组件的性能
微型温差电组件
嵌入式温差电致冷组件（eTEC） 薄膜温差发电组件（eTEGTM）
eTEC UPF40 : 尺寸：1.6 mm x 3.2mm x 0.65 mm) 最大热流量：72 W/cm2 eTEG UPF40： DT=70K,输出功率 >80 mW DT=120K,输出功率>236 mW 输出功率密度>5W/cm2
技术讲座
温差电技术及其应用
张建中
2015年5月
温差电技术及其应用
历史回顾 原理 温差电致冷 温差发电 最新进展
温差电效应发现
1821年德国科学家塞贝克发现了第一个效应，后 来人们称之为塞贝克效应。 1834年法国科学家珀尔帖发现了第二个效应，后 来人们称之为珀尔帖效应。 1845年英国人汤姆逊用热力学理论把上面两个现 象联系起来，并发现了第三个效应，后来人们称它为 汤姆逊效应。
放射性同位素温差发电器的 空间应用
飞出太阳系
登月任务 （1969-1972）
导航卫星
通信卫星
气象卫星
火星着陆
探测土星 探测木星
放射性同位素温差发电器 （RTG）
GPHS-RTG
Snap 3
Snap 19
Snap27 放射性同位素温差发电器在月球上
卡西尼飞船
1997年10月15日，美国成功发射了卡 西尼探测器，开始了全面考察土星家 族的征程。2004年7月1日，进入土星 轨道，开始为期四年的探测和研究工 作。
燃气温差发电器
中国制造-1980年代初 我国自1960年代末开始温差发电技 术研究的。
微型温差电池及其特点
利用环境热源，建立温差就能产生电能。可用各种 热源：工业过程热、暖气管道、太阳能、动物机体 （包括人体），等等。 结构致密、体积小 安装方便、无需维护 寿命长 不释放有害物质，环境友好
微温差电池的应用
温差电致冷器件的进展 及其应用
温差电致冷的特点
温差电致冷组件是利用珀尔帖效应工作的热泵，可用 于致冷,也可以致热。 它是一种没有转动部件的固态器 件，寿命长，工作时无噪声，又不会释放有害物质（如 氟氯烃），能在任意角度安装运行，调节电压或电流时 可以精确控制温度。由于它具有的一系列优点，在国防、 工业、农业、科学研究各领域都得到了广泛的应用。
低噪声放大器（雷达） 电子元器件温控 晶体震荡器恒温 计算机芯片和微处理器冷却 磁记录仪、磁盘、光盘冷却 恒温槽（半导体工艺） 恒温板（半导体工艺） 液体循环冷却器（半导体工艺） 大规模集成电路高低温试验装置 军用仪器方舱
用途：工业和科学仪器
恒温槽 恒温板 冷藏箱 去湿器 露点仪
应用：浮标、声呐，等。
烧油的温差发电器
500W燃油温差发电器
Global公司的燃气温差发电器
8550型温差发电器
5120型温差发电器
应用：输气管线阴极保护、微波中继站等。
俄罗斯BIAPOS公司的 燃气温差发电器
Cຫໍສະໝຸດ BaiduTEG-HG -90\24
性能参数：
功率：90 W 额定电压：24 V 寿命：10 年
Amerigon
Amerigon 收购了德國上市企業——汽車熱控制和電 子元件公司 W.E.T. Automotive Systems AG（威意特汽 車系統股份公司）。
Amerigon 總裁兼行政總裁 Daniel R. Coker 把收購 W.E.T. 描述為 Amerigon 讓自身可以更好地滿足全球汽 車市場需求的重要策略。
光电子器件应用的致冷组件
红外探测器致冷
光电子器件应用的致冷组件
温差电致冷红外热像
DNA复制仪器
消费类温差电致冷应用产品
冷藏箱
啤酒机 红酒柜
用途：光电子学
激光二极管（光通讯等） CCD摄像机 红外探测器 光电倍增管 其它红外分析仪器 红外定标源 标准黑体
用途：电子器件和工业
物联网的电源 生产过程控制器、执行器电源 人体监测仪器的电源
微温 差电
池
可穿戴设备？？
精工手表微型温差电池
# 体温发电 # 微瓦级
为什么要微型化？
德国的micropelt公司的微型温差电组件
尺寸 (mm): 冷面: 0.72 X 0.72 热面: 1.47 X 0.72 厚度: 0.428 最大温差: ΔT=48 K 热面温度: 85°C 致冷功率 (ΔT=20 K): 0.3 W
第二个阶段发生在二十世纪四十年代到七十年代。 1949年苏联科学家约飞提出了半导体温差电能量转换理论。 1942年, 苏联科学家制成用火焰加热的温差发电器，温差电材料
是锌锑合金和康铜，效率达到1.5%-2%。同年，美国制成军用便 携式温差发电器，温差电材料是碲化铅，效率不到1%。 1963年, 美国将一个输出电功率2.7W的同位素温差发电器Snap3 用在军用导航卫星上。1969年到1972年, 美国人将5个Snap27 同位素温差发电器成功地放在月面上作为月面科学仪器供电电源。 1990年起，温差电学又遇到了一个好机会，得以蓬勃发展。 节能和环保的需要。
Amerigon
冷热杯
电池温度控制系统
感谢您的 批评指正！
温差电致冷参数
致 冷 功 率 / W
温差/oC
温差电致冷组件的结构
常规的单级温差电致 冷组件是由若干对温 差电偶电串联构成。 温差电元件呈矩形截 面。流行的结构中铜 制导流片连接P、N 型元件，用高纯氧化 铝(或氧化铍、氮化 铝)陶瓷片在冷面和 热面与外界耦合。
温差电致冷组件
温差电致冷的优点
塞贝克效应
在两种不同的半导体（或导体）构成的开路电路 中，如果两个接头具有不同的温度，则在串入电路中 的电压表上可测得电动势，这称为温差电动势。
I rL rr
pmax
2
4ri
2
4
I UL
珀尔帖效应
当电流通过不同的导体构 成的回路时，在接头处除 了要放出焦耳热（即电阻 产生的损耗）外，还将放 出或吸收某一热量。这一 热量称为珀尔帖热。
很早就有人开始利用塞贝克效应来测量温度。这就是 我们常用的热电偶。
十九世纪末就有人提出利用温差电效应发电的问题。 1911年德国人阿登克希提出了温差发电和温差电致冷理 论，并得到了温差电器件基本参量的热力学公式。但是， 长期以来由于在技术上没有找到一种有效的可供发电或 致冷的材料，因此，没有付诸现实。
2004年12月25日，卡西尼i释放惠 更斯探测器。2005年月15日,惠更 斯探测器在土卫六上着陆。这次 探测活动将揭开土卫六有无生命 之谜。
Tips
先进RTG
同位素热源 （8个GPHS同位素热 源组件）
温差电换能器 （PbTe/TAGS）
好奇号火星车及放射性同位素温差发电器 RTG
海洋应用的 锶-90同位素温差发电器
温差电空调/加热器（ HAVC）
温差电产品 在汽车行业的应用
Amerigon (亚美利贡公司)
Amerigon（纳斯达克总部：ARGN）开发先进、专有、 高效的温差电（TE）技术为基础的加热和冷却的应用产 品。该公司目前的主要产品是其专有的气候控制座椅® （CCS®）系统，这是固态、温差电技术为基础的系统， 允许司机和乘客单独和主动地控制各自座位的加热和冷 却，以确保全年内最大舒适。Amerigon的CCS系统包括 温差电技术为基础的加热和冷却系统、加热和通风座椅 系统。 CCS，是当今市场唯一类型的系统，不使用氟氯 烃或其他环境敏感制冷剂。
Amerigon
据Amerigon公司2010年四季度报告，该公司2010年 产品收入从2009年的6090万美元增长到创纪录11240万 美元，增长了84%。收入增长的主要动力来自现有公司 的产品--气候控制座椅系统，以及新模式的引进，等等。 第三季度末该公司推出了采用温差电技术的主动加热和 冷却的豪华座垫。第四季度推出了加热和冷却的杯托。
零点仪（冰点仪） 量热计 石油凝固点分析仪 空气冷却器 液体冷却器
用途：医学和生物仪器
血样冷却器 切片机冷冻台 显微镜冷冻台 医用冷帽 医用低温床垫 氨基酸分析仪 生物反应器
温差发电器件的进展 及其应用
温差发电器是一种没有转动部件的固态器 件，体积小、寿命长，可以耐受恶劣环境条 件，工作时无噪声，而且无须维护。空间应 用的放射性同位素温差发电器是目前可靠性 最高、工作寿命最长、技术最成熟的热－电 能量转换方式。
温差发电技术-余热利用
上：1 kW 温差发电器用 于柴油动力车余热回收
下：1 kW温差发电器 正在安装
汽车余热发电
2008年10月，德国柏林举办了一个名为“温差电技术-汽车工业的机遇”的会议。 会上展示了一辆安装温差发电器的大众牌家用轿车，该温差发电器可在高速公路行 驶条件下为汽车提供600W电功率，满足其30%用电需要，减少燃料消耗5%以上。
1) 小型化：一般情况下，温差电致冷器外形尺寸和体积远远小于机械制冷系统， 重量也比较轻。各种标准的、特殊尺寸和结构的温差电致冷组件可供选择，适用 于各种应用要求。
2) 具有致冷和加热两种功能：改变直流电源的极性，同一致冷器可实现加热和致 冷两种功能。 3) 精确温控：使用合适的闭环温控电路，可实现温度控制。温差电致冷器控温精 度可优于0.1℃. 4) 高可靠性：温差电致冷组件是固体器件，无运动部件，因此失效率低。典型的 温差电致冷器的寿命大于二十万小时。 5) 工作时无声：与机械制冷系统不一样，温差电致冷器工作时不产生噪音。 6) 可使用常规电源：温差电致冷器对电源要求不高。可使用一般直流电源，工作 电压和电流可在大范围内调整。 7) 可实现点致冷：可只冷却一专门的元件或特定的面积，不必要冷却一完整的封 装外壳和整体。 8) 绿色器件：温差电致冷器不会释放氟氯烃或其它有害化学物质，不危害环境。 温差电致冷器是一种绿色无公害半导体器件。
Bi2Te3材料 薄膜工艺 MEMS 技术
最近进展介绍
温差发电：余热回收
废热
温差发电：汽车余热回收
目前，仅用25% 排气：40%！！！
美国：温差电能量回收工程
美国能源部启动了运载工具温差电能量回收工程， 开发有效而实用的温差发电系统，将汽车发动机的废 热转换成电能以改善燃料的经济性。工程第一阶段， 分析系统的技术可行性。工程第二阶段，集中于开发 工程零部件、演示工程可行性。第三阶段将构建完整 的原型样机。计划的最终目标是使用开发的温差电技 术建立一种能量回收系统，减少能量消耗和二氧化碳 排放，并在标准车辆上实现工程化。
Micropelt的工艺
溅射工艺制作温差电元件
芯片一面的结构 一个温差电元件，俯视图
Micropelt微型温差电致冷组件的性能
微型温差电组件
嵌入式温差电致冷组件（eTEC） 薄膜温差发电组件（eTEGTM）
eTEC UPF40 : 尺寸：1.6 mm x 3.2mm x 0.65 mm) 最大热流量：72 W/cm2 eTEG UPF40： DT=70K,输出功率 >80 mW DT=120K,输出功率>236 mW 输出功率密度>5W/cm2
技术讲座
温差电技术及其应用
张建中
2015年5月
温差电技术及其应用
历史回顾 原理 温差电致冷 温差发电 最新进展
温差电效应发现
1821年德国科学家塞贝克发现了第一个效应，后 来人们称之为塞贝克效应。 1834年法国科学家珀尔帖发现了第二个效应，后 来人们称之为珀尔帖效应。 1845年英国人汤姆逊用热力学理论把上面两个现 象联系起来，并发现了第三个效应，后来人们称它为 汤姆逊效应。