温差发电

1为简单的温差发电元件（或称温差电池），N型半导体1和P型半导体2在一端用金属片3连接起来，另一端接负载电阻R。当一端加热至温度T1，而另一端保持在温度T0时，回路中产生温差电动势，使负载电阻上有电流I流过，根据塞贝克定律

式中α为电池两臂温差电动势率之和，r为两臂的内阻之和。

r＝(ρ1/s1+ρ2/s2)l

式中ρ1、ρ2、 s1、s2分别表示两臂的电阻率和横截面积；l表示两臂的长度。负载电阻上得到的功率为

温差发电效率的定义是外电路中得到的有用电能I2R与热源所消耗的能量之比。热源消耗的能量包括以下几项：

① 在热端吸收的珀尔帖热Q1

Q1＝α2T1(T1-T0)/(R+r)

② 由热端传导到冷端的热量Qm

Qm＝K(T1-T0)

式中K为热导

K＝(λ1s1+λ2s2)/l

式中λ1、λ2分别为两臂的热导率。

③ 温差电池内部，电流I流过所放出的焦耳热中，有一半将转移到热端，因而把功率还给热源。

汤姆逊热较小，可以忽略不计。在最大输出功率条件下，即R＝r时，温差电池的效率为

式中

称为温差材料的品质因数。如果选

则得最大效率为

因此，温差发电机的效率主要取决于热端和冷端的温度和温差发电材料的品质因数Z，Z值还强烈地依赖于温度，因而对于不同的工作温度需要选取不同的材料。

最早用的温差发电材料为ZnSb合金(P型),用康铜片(N型)连接，其热端温度可达400。Bi2Te3-Bi2Se3固溶体(N型)和Bi2Te3-Sb2Te3固溶体在0～300范围内具有较高品质因数(),是较好的低温温差发电材料。在300到600的中等温区,常采用PbTe或PbTe与SnTe或 PbSe的固溶体、GeTe、AgSbTe2等作温差发电材料。600以上的高温发电材料有Ge-Si合金、MnTe等。人们对稀土元素的硫化物、碳硼化合物以及In-Ga-As系已作了较多的研究。

在温差发电机中，在较大温差下，为了使温差电池臂的所有部分都具有较高品质因数，可采取“分段”的办法,处于不同温度的电偶臂的各段,采用不同材料或不同成分。图2a的两段电偶臂采用不同材料。这种结构当上端温度为550、温差为530时，效率可达12％。图2b是成分分段改变的温差电池，当热端温度为1000K,冷端温度为300K时效率可达12％～15％。

半导体温差发电机无转动部分，因而无噪声、寿命长、工作稳定可靠、轻便，且可利用各种能源，包括固、液、气态燃料,太阳能、核能,以及各种设备的废热、余热等，因而特别适用于军事、勘探和边远地区等的小功率发电和星际航行。80年代美国已研制成 500瓦的军用温差发电机。利用同位素加热的核能温差发电机已应用于航天。

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对大家来说，由于都属于处于探究阶段，初次购买器件，建议数量控制在1-5片以内，以降低大家的投入成本；对于出售的每个器件，均附有帕尔贴半导体公司盖有公司印章的正规出库单据;如有需要得到更多关于温差发电方面的一些前端信息，我们都可以免费无偿的提供给您一些国外在这个领域已经小有成就的厂家的咨询信息，以供您参考

我司生产温差发电组件所用材料的参数：

全部采用高纯度铋、碲、硒、锑、和特殊掺杂剂研制热电组件晶体，经过定结晶的生产，生产热电材料具有稳定性，是生产温差组件的理想材料。

晶棒规格:Ф30mm L-30cm

热电参数:

温差电动势(a): ＞190×μV/℃

电导率(σ):850～1250Ω-1.cm-1

热导率(K):15～16×10-3-W/℃cm

优值(Z):2.5～3.0×10-3W/℃

随着世界经济快速发展，人类对能源的需求量迅速增加。有资料显示：已探明常规能源石油、天然气和煤炭的保证年限分别是45年、52年和209年[1]。因而，人们迫切需要寻找新型绿色的能源取代传统化石燃料。我国能源的利用率很低，只有33%左右，单位产值能耗比美国、欧盟、日本、印度分别高2.5倍、4.9倍、8.7倍和0.43倍[2]。这就更要求我们积极寻找节能新办法。

半导体热电发电利用半导体热电材料制成，以其体积小、重量轻、无运动部件、寿命长、移动方便、可靠性高以及无污染等诸多优点，在军事、医疗、科研、通讯、航海、动力及工业生产的各个实践领域得到了广泛应用[3]。而半导体热电发电技术在工业余热利用方面的应用尚不成熟，大规模应用仍需要进一步研究。

理论分析

温差发电器是一种基于塞贝克效应，直接将热能转化为电能的热电转换器件。1982年，德国物理学家塞贝克发现了温差电流现象，即两种不同金属构成的回路中，若两种金属结点温度不同，该回路中就会产生一个温差电动势。这就是塞贝克效应[5]。

半导体温差发电片的原理如图1，它由P、N 两种类型不同的半导体温差电材料经电导率较高的导流片串联并将导流片固定于陶瓷片上而成。在器件的两端建立一个温差, 使器件高温端保持T h，低温端保持T c，根据塞贝克效应，将产生一个电压，若在回路中接入负载电阻，则将有电流流过。

塞贝克效应电势差大小可用表示为[6]：

（１）

式中，S h与S c分别为两种材料的塞贝克系数。

如果S h与S c不随温度的变化而变化，式（１）即可表示为：

（２）

图1 温差发电原理图

为方便输出功率的计算，可以对实验对象做以下假设：①稳态，输出电流为稳恒电流；②半导体温差发电片侧面绝热；③冷热端之间的空气对流和辐射影响可以忽略；④半导体温差发电片内部导热系数不变。解得输出功率为：

（３）

式中，R为器件的总电阻；τ为汤姆逊系数；等号右端第1项为帕尔帖热，第2 项为汤姆逊热，第3项为焦耳热[7]。

功率匹配条件为：R L=R，得最大输出功率：

（４）