温差发电_种新型绿色的能源技术
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一起并处于高温状态 T 2( 热端) , 而另一端开 路且处于低温( T 1) 状态( 冷端) , 则在冷端存 在开路电压 V ( 图 1) , 这一效应称为塞贝克 ( Seebeck) 效应, 该效应以 Seebeck 命名是为 了纪念它的发现者德国科学家 T . J. Seebeck ( 1770～1831 年) . Seebeck 电压 V 与热冷两 端的温度差 T 成正比, 即
THERMOELECTRIC ELECTRICITY GENERATION ——A NEW GREEN ENERGY TECHNIQUE
He Yuanj in Chen Hong Chen Moxuan ( Depart ment of P hysics, T singhua Universit y, Beijing 100084)
应用. 目前, 温差发电器存在的问题是能量转 换效率较低. 而半导体制冷器存 在的问题是 耗电量过大, 价格亦较昂贵, 以上缺点主要是 由于材料性能不理想造成的. 目前热电材料 的优值( ZT 值) 仅为 1 左右. 如果能把优值提 高到 3 以上, 则由这种材料制成 的热电装置 可达到接近于理想卡诺机的效率. 这将在发 电和制冷领域引起一场革命. 遗憾的是, 尽管
Abstract In t his paper t he principle of t herm oelect ric generat or is illustr at ed w it h pr act ical appl ications. T he stat e o f the art of t his f ield is brief ly review ed. Key Words t herm oel ectr icit y; Seebeck eff ect
理想的 2D 电子气量子阱结构中, 材料的优值 ZT 可大幅度提高, 这将是一条改进材料热电 性能的崭新途径. 近几年来, 受到这一理论预 言的鼓舞, 人们以极大的热情投入到新 的一 轮热 电材料研 究中去[ 3] , 采 用 CV D 、磁控 溅 射、电 子束蒸发[ 4] MO CV D, 分子 束外延[ 5] 等 多种方法制备薄膜, 改制得量子阱热电 薄膜
散射机制, r 值分别等于- 1/ 2, 1/ 2, 0 和 2/ 3.
!n 表示声子拖曳效应, 其室温下的值在 对应
于重掺杂硅的 0 到低掺杂硅的 5 之间变化.
对于 P 型硅的 s 值可以得到与( 3) 式类似的
表达式, 不过符号变成正值. 表 1 给出一些常 见材料的 s 值.
表 1 常见材料的塞贝克系数
差发电的热电材料模块等等. 这些迹象表明, 随着新型热电材料的研制成功, 温差发电作 为一种能源高新技术即将进入一个飞速发展
时期, 并对人类 21 世纪经济生活和社会发展 产生重大影响. 2. 2 温差发电
温差发电原理示如图 2, 该装置可利用温 差直接产生电力.
在 P 型( N 型) 半导体中, 由于热激发作 用 较强, 高温端的空穴( 电子) 浓度比低 温端 大, 在这种浓度梯度的驱动下, 空穴( 电子) 由 于热扩散作用, 会从高温端向低温端扩散, 从 而形成一种电势差, 这就是塞贝克( Seebeck) 效 应.
表 2 500W 温差发电机与 0. 5kW 引擎驱动发电机性能的对比
工作燃料 噪声 重量
500W 温差发电机
0. 5kW 引擎驱动发电机
汽油、柴油、JP-4、 只能用汽油 煤油
安静—100m 处听 工 业 噪 声 级,
不见
500m 处可听见
30kg( 66 磅)
38k g( 85 磅)
通电. 即使 在发达国家, 这种情况也存在, 例 如在瑞典北部, 有很多家庭仍生 活在无电力 环境中, 因为将电力引入这些住户其耗费约 为每户 5000 美元以上, 因而很不经济. 瑞典 政府为了解决这部分住户的用电问题, 实施 了温差发电计划, 图 5 是瑞典皇 家技术研究 所研制的发电模块. 将多个这种 模块放在炉 子的顶部和四周、并与变换电路 及蓄电池系 统相连就基本可保证一个家庭的生活用电.
!n }
( 3)
其中 e 为电子电荷, k 是 Bolt zm ann 常数, N c
是导带态密度, n 是电子浓度, 由掺杂浓度确
定. 因子 r 是一个指数因子, 其典型值在- 1
到 2 之间, 它是载流子碰撞平均自由时间 ∀与
载流子能量 E 间指数关系的幂次,
∀∝ Er
( 4)
对于声学波、光 学波、中性杂质、电离杂 质等
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工科物理 Vol. 10 No . 2 2000
温差发电
—— 一种新型绿色的能源技术
何元金 陈 宏 陈默轩 ( 清华大学物理系, 北京 100084)
( 收稿日期: 2000-02-21)
摘 要 本文以应用举例介绍了温差发电的原理, 对这一领域国际发展状况进行了简 要的综述和评论.
关键词 塞贝克效应; 温差发电
致电荷在冷端的积累; 另外, 载流子的散射是
与能量( 亦即温度) 有关的, 有可能导致载流 子在硅的冷端或热端的积累, 究竟载流 子是
在哪一端积累取决于下面两个相反的机制哪
一个占支配地位, 是热载流子比冷载流 子更
易于运动呢, 还是热载流子会被增强的 散射
所捕获. 最后, 硅中的温度差引起声子从热端 到冷端的净流动, 在一定的温度范围内( 10～
温差发电是一种新型的发电方式, 具有 清洁, 无噪音污 染和有害物质排放, 高效, 寿 命长, 坚固, 可靠性高, 稳定等一系列优点, 符 合绿色环保要求, 对国民经济的可持续 发展 具有重要的战略意义.
2 温差发电
2. 1 塞贝克( Seebeck) 效应 设 有两 种半 导体“A ”和“B”在 一端 结合 在
V = s T = s( T 2 - T 1) 其中 s 是塞贝克参数, 其单位是 V/ K ( 或更 常 用的单位 V/ K) . Seebeck 系 数是由 材料 本身的电子能带结构决定的. 以非简亻并 半导 体硅 Si 为例, 当材料内部存在温度梯度时, 载
工科物理 Vol. 10 No . 2 2000
自从本世纪 60 年代, 较高优值的半导体
材料被发现以后, 热电材料的应 用研究开始 引起人们的高度重视. 利用热电 效应制成的 温差发电机, 具有使用方便, 安全可靠, 无污 染等诸多优点. 利用帕尔帖效应 制成的固体 制冷器, 体积小, 重量轻, 无污染, 目前已在医 疗器械、红外器件、电子器件的温控上得到了
500K ) , 对于非简亻并 硅, 在声学声子和载流子 之间可能会发生动量转移. 由于存在净 的从
热端指向冷端的声子动量, 这将拖曳载 流子 向冷端运动. 综合考虑上述因素, N 型非简亻并 Si 半导体中总的 Seebeck 系数可近似表示为:
s= -
k e
{
ln(
N
c/
n)
+
2. 5+
r+
37
图 1 塞贝克( S eebeck) 效应
流子 的空间分 布和运动 规律可用 M axw ellBo lt zmann 输运方程来描述, 这时半导体内部
有几个主要的因素制约着 Seebeck 系数的大 小. 其一是, 随着温度的升高, 硅的本征 导电
过程变得更为重要, 即载流子浓度增大; 其二
是随着温度升高, 载流子的平均速度增大, 导
( 1) 军用发电机 其最大特点是无噪音、高度可靠、且燃料 适应性广.
工科物理 Vol. 10 No . 2 2000
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图 4 是美国陆军部电子技术与器件实验 室研制的 500W 温差发电机 照片. 主要用 于 装备前沿部队. 已证明该发电机作为新 型的 军事 装备电源 可在更 多变的 环境 条件下 使 用, 并代替ห้องสมุดไป่ตู้有的噪声大、不可靠、麻烦多, 需 要经常维护的汽油机驱动的发电机. 其唯一 缺点是在同样功率下耗油量较大. 关于该温 差发电机与传统的汽油驱动发电机性能的对 比列于表 2.
( 2) 边远寒冷地区应用 我国至今仍有少数边远山区、高原地区、 高山哨所、高原气象站等远离城市的地 方不
图 5 瑞典皇家技术研究所的发电模块
挪威国防科学研究院研制成功了烧木炭 和烧劈柴( 图 6) 的小型温差发电机, 它们将有 多种用途, 既可作军用, 也可作为边远地区民 用. 由于无 须用燃油, 使用十分灵活, 其功率 约为 120W .
如图所示将 P 型和 N 半导体的热端相 连, 则在冷端可得到一个电压, 这样一个 P N 结就可以利用高温热源与低温热源之间的温
差将热能直接转换成电能, 将很多个这 样的
图 2 温差发电( S eebeck 效应) 原理
PN 结串连起来( 如图 3) , 就可得到足够高的 电压, 成为一个温差发电机, 很显然这样的温 差发电机完全没有转动部分, 因此非常可靠.
材 料
Bi2T e3 S b2Te3 Bi2 Se 3 PbT e S i0. 80G e0. 20 B4C
塞贝克系数 ( V/ K)
260 - 270
133 - 77 380 - 320 540 250
备 注
P t ype N t ype P N P N P P( 1273K )
值得指出的是, 从应用的角度讲, 决定一 种半导体热电材料的优劣不能仅凭其塞贝克
似, 用于描述三维( 3D) 材料的输运过程, 计算 温差电动势等输运参数是成功的, 所得一般 材料的 ZT 值确实难以超过 1. 但近年来由于 分子束外延( M BE ) 等量子阱、超晶格制备技 术的成熟, 原本在概念上存在的二维( 2D) 、一 维 ( 1D) 、乃至 0 维材料 就有了实 现的可能. 1993 年, 美 国 的 MIT 的 M . S. Dresselhaus ( 曾任美国物理学会的主席) 小组提出[ 1, 2] , 在
材料的优值确实获得了很大的提高. 这些成 果重新激活了人们对热电物理与材料进行研
究的热情, 同时基于各种应用背景的热 电材 料的研究也十分活跃起来, 例如基于热 电薄 膜的统一测量温度、热流、压力的传感器[ 6] , 冷 却极限温度( 120K ) 已接近超导转变温度的超 导元件芯片冷却器, 用于城市垃圾焚烧 炉温
各国科技人员在各种材料的配方上作了大量
搜寻研究工作, 以求获得更高优值( ZT ) 的材 料, 但近 20 年来无论在理论上还是在实验上 都没有突破.
最近, 美国的几位著名学者提出, 量子阱 结构 可能给 温差电 材料质 量的提 高带来 希
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工科物理 Vol. 10 No . 2 2000
望. 传统理论采用半经典理论的驰豫时间近
系数的大小, 还必须综合考虑其电导率, 热导 率等诸多因素. 目前最常用的一 个参数是材 料的优 值 Z, 其 定义为 Z = 2s#/ k , 这里 s 是 Seebeck 系数, # 是电导率, k 是热导率. 此外, 尚有无量纲优值( ZT ) 常用于表征热电材料的 性能, 这里 T 是绝对温度.
1 节能与环保—21 世纪人类面临的严重挑 战
节能与环保是 21 世纪人类面临的严重 问题. 中国正处在持续发展的关键阶段, 开发 新能源和充分利用低品位能源、废能源 具有 重大意义. 同时, 通过节能可以节约大量燃 料, 对于降低我国在二氧化碳, 二氧化硫和氮 氧化物的排放都具有直接的影响. 我国在各 种工业过程中存在大量的热能浪费现象, 发 展各种环境友好的节能技术, 是十分重要的.
图 3 温差发电机结构示意图
3 国际国内研究发展现状 3. 1 已取得的研究进展
尽管温差发电由于材料成本昂贵等因素 的制约未能在工业上大面积采用, 但在军事 与航天应用、远离城市的边远地区, 以及海上 作业平台等特殊场合还是受到了人们的高度 重视, 目前已成功开发出不少产品, 其中部分 产品已商品化.
平均无故障时间 2000 小时
250 小时
维护 燃料消耗
无运动部 件, 无须 润滑
1. 35kg/ h ( 0. 46 加仑/ 时)
运 转 150 小 时 定 期维修
0. 73k g/ h ( 0. 25 加仑/ 时)
工作温度范围 - 31℃到+ 51℃ - 31℃到+ 51℃
图 4 美国陆军部电子技术与器件 实验室研制的 500W 温差发电机
THERMOELECTRIC ELECTRICITY GENERATION ——A NEW GREEN ENERGY TECHNIQUE
He Yuanj in Chen Hong Chen Moxuan ( Depart ment of P hysics, T singhua Universit y, Beijing 100084)
应用. 目前, 温差发电器存在的问题是能量转 换效率较低. 而半导体制冷器存 在的问题是 耗电量过大, 价格亦较昂贵, 以上缺点主要是 由于材料性能不理想造成的. 目前热电材料 的优值( ZT 值) 仅为 1 左右. 如果能把优值提 高到 3 以上, 则由这种材料制成 的热电装置 可达到接近于理想卡诺机的效率. 这将在发 电和制冷领域引起一场革命. 遗憾的是, 尽管
Abstract In t his paper t he principle of t herm oelect ric generat or is illustr at ed w it h pr act ical appl ications. T he stat e o f the art of t his f ield is brief ly review ed. Key Words t herm oel ectr icit y; Seebeck eff ect
理想的 2D 电子气量子阱结构中, 材料的优值 ZT 可大幅度提高, 这将是一条改进材料热电 性能的崭新途径. 近几年来, 受到这一理论预 言的鼓舞, 人们以极大的热情投入到新 的一 轮热 电材料研 究中去[ 3] , 采 用 CV D 、磁控 溅 射、电 子束蒸发[ 4] MO CV D, 分子 束外延[ 5] 等 多种方法制备薄膜, 改制得量子阱热电 薄膜
散射机制, r 值分别等于- 1/ 2, 1/ 2, 0 和 2/ 3.
!n 表示声子拖曳效应, 其室温下的值在 对应
于重掺杂硅的 0 到低掺杂硅的 5 之间变化.
对于 P 型硅的 s 值可以得到与( 3) 式类似的
表达式, 不过符号变成正值. 表 1 给出一些常 见材料的 s 值.
表 1 常见材料的塞贝克系数
差发电的热电材料模块等等. 这些迹象表明, 随着新型热电材料的研制成功, 温差发电作 为一种能源高新技术即将进入一个飞速发展
时期, 并对人类 21 世纪经济生活和社会发展 产生重大影响. 2. 2 温差发电
温差发电原理示如图 2, 该装置可利用温 差直接产生电力.
在 P 型( N 型) 半导体中, 由于热激发作 用 较强, 高温端的空穴( 电子) 浓度比低 温端 大, 在这种浓度梯度的驱动下, 空穴( 电子) 由 于热扩散作用, 会从高温端向低温端扩散, 从 而形成一种电势差, 这就是塞贝克( Seebeck) 效 应.
表 2 500W 温差发电机与 0. 5kW 引擎驱动发电机性能的对比
工作燃料 噪声 重量
500W 温差发电机
0. 5kW 引擎驱动发电机
汽油、柴油、JP-4、 只能用汽油 煤油
安静—100m 处听 工 业 噪 声 级,
不见
500m 处可听见
30kg( 66 磅)
38k g( 85 磅)
通电. 即使 在发达国家, 这种情况也存在, 例 如在瑞典北部, 有很多家庭仍生 活在无电力 环境中, 因为将电力引入这些住户其耗费约 为每户 5000 美元以上, 因而很不经济. 瑞典 政府为了解决这部分住户的用电问题, 实施 了温差发电计划, 图 5 是瑞典皇 家技术研究 所研制的发电模块. 将多个这种 模块放在炉 子的顶部和四周、并与变换电路 及蓄电池系 统相连就基本可保证一个家庭的生活用电.
!n }
( 3)
其中 e 为电子电荷, k 是 Bolt zm ann 常数, N c
是导带态密度, n 是电子浓度, 由掺杂浓度确
定. 因子 r 是一个指数因子, 其典型值在- 1
到 2 之间, 它是载流子碰撞平均自由时间 ∀与
载流子能量 E 间指数关系的幂次,
∀∝ Er
( 4)
对于声学波、光 学波、中性杂质、电离杂 质等
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工科物理 Vol. 10 No . 2 2000
温差发电
—— 一种新型绿色的能源技术
何元金 陈 宏 陈默轩 ( 清华大学物理系, 北京 100084)
( 收稿日期: 2000-02-21)
摘 要 本文以应用举例介绍了温差发电的原理, 对这一领域国际发展状况进行了简 要的综述和评论.
关键词 塞贝克效应; 温差发电
致电荷在冷端的积累; 另外, 载流子的散射是
与能量( 亦即温度) 有关的, 有可能导致载流 子在硅的冷端或热端的积累, 究竟载流 子是
在哪一端积累取决于下面两个相反的机制哪
一个占支配地位, 是热载流子比冷载流 子更
易于运动呢, 还是热载流子会被增强的 散射
所捕获. 最后, 硅中的温度差引起声子从热端 到冷端的净流动, 在一定的温度范围内( 10～
温差发电是一种新型的发电方式, 具有 清洁, 无噪音污 染和有害物质排放, 高效, 寿 命长, 坚固, 可靠性高, 稳定等一系列优点, 符 合绿色环保要求, 对国民经济的可持续 发展 具有重要的战略意义.
2 温差发电
2. 1 塞贝克( Seebeck) 效应 设 有两 种半 导体“A ”和“B”在 一端 结合 在
V = s T = s( T 2 - T 1) 其中 s 是塞贝克参数, 其单位是 V/ K ( 或更 常 用的单位 V/ K) . Seebeck 系 数是由 材料 本身的电子能带结构决定的. 以非简亻并 半导 体硅 Si 为例, 当材料内部存在温度梯度时, 载
工科物理 Vol. 10 No . 2 2000
自从本世纪 60 年代, 较高优值的半导体
材料被发现以后, 热电材料的应 用研究开始 引起人们的高度重视. 利用热电 效应制成的 温差发电机, 具有使用方便, 安全可靠, 无污 染等诸多优点. 利用帕尔帖效应 制成的固体 制冷器, 体积小, 重量轻, 无污染, 目前已在医 疗器械、红外器件、电子器件的温控上得到了
500K ) , 对于非简亻并 硅, 在声学声子和载流子 之间可能会发生动量转移. 由于存在净 的从
热端指向冷端的声子动量, 这将拖曳载 流子 向冷端运动. 综合考虑上述因素, N 型非简亻并 Si 半导体中总的 Seebeck 系数可近似表示为:
s= -
k e
{
ln(
N
c/
n)
+
2. 5+
r+
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图 1 塞贝克( S eebeck) 效应
流子 的空间分 布和运动 规律可用 M axw ellBo lt zmann 输运方程来描述, 这时半导体内部
有几个主要的因素制约着 Seebeck 系数的大 小. 其一是, 随着温度的升高, 硅的本征 导电
过程变得更为重要, 即载流子浓度增大; 其二
是随着温度升高, 载流子的平均速度增大, 导
( 1) 军用发电机 其最大特点是无噪音、高度可靠、且燃料 适应性广.
工科物理 Vol. 10 No . 2 2000
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图 4 是美国陆军部电子技术与器件实验 室研制的 500W 温差发电机 照片. 主要用 于 装备前沿部队. 已证明该发电机作为新 型的 军事 装备电源 可在更 多变的 环境 条件下 使 用, 并代替ห้องสมุดไป่ตู้有的噪声大、不可靠、麻烦多, 需 要经常维护的汽油机驱动的发电机. 其唯一 缺点是在同样功率下耗油量较大. 关于该温 差发电机与传统的汽油驱动发电机性能的对 比列于表 2.
( 2) 边远寒冷地区应用 我国至今仍有少数边远山区、高原地区、 高山哨所、高原气象站等远离城市的地 方不
图 5 瑞典皇家技术研究所的发电模块
挪威国防科学研究院研制成功了烧木炭 和烧劈柴( 图 6) 的小型温差发电机, 它们将有 多种用途, 既可作军用, 也可作为边远地区民 用. 由于无 须用燃油, 使用十分灵活, 其功率 约为 120W .
如图所示将 P 型和 N 半导体的热端相 连, 则在冷端可得到一个电压, 这样一个 P N 结就可以利用高温热源与低温热源之间的温
差将热能直接转换成电能, 将很多个这 样的
图 2 温差发电( S eebeck 效应) 原理
PN 结串连起来( 如图 3) , 就可得到足够高的 电压, 成为一个温差发电机, 很显然这样的温 差发电机完全没有转动部分, 因此非常可靠.
材 料
Bi2T e3 S b2Te3 Bi2 Se 3 PbT e S i0. 80G e0. 20 B4C
塞贝克系数 ( V/ K)
260 - 270
133 - 77 380 - 320 540 250
备 注
P t ype N t ype P N P N P P( 1273K )
值得指出的是, 从应用的角度讲, 决定一 种半导体热电材料的优劣不能仅凭其塞贝克
似, 用于描述三维( 3D) 材料的输运过程, 计算 温差电动势等输运参数是成功的, 所得一般 材料的 ZT 值确实难以超过 1. 但近年来由于 分子束外延( M BE ) 等量子阱、超晶格制备技 术的成熟, 原本在概念上存在的二维( 2D) 、一 维 ( 1D) 、乃至 0 维材料 就有了实 现的可能. 1993 年, 美 国 的 MIT 的 M . S. Dresselhaus ( 曾任美国物理学会的主席) 小组提出[ 1, 2] , 在
材料的优值确实获得了很大的提高. 这些成 果重新激活了人们对热电物理与材料进行研
究的热情, 同时基于各种应用背景的热 电材 料的研究也十分活跃起来, 例如基于热 电薄 膜的统一测量温度、热流、压力的传感器[ 6] , 冷 却极限温度( 120K ) 已接近超导转变温度的超 导元件芯片冷却器, 用于城市垃圾焚烧 炉温
各国科技人员在各种材料的配方上作了大量
搜寻研究工作, 以求获得更高优值( ZT ) 的材 料, 但近 20 年来无论在理论上还是在实验上 都没有突破.
最近, 美国的几位著名学者提出, 量子阱 结构 可能给 温差电 材料质 量的提 高带来 希
38
工科物理 Vol. 10 No . 2 2000
望. 传统理论采用半经典理论的驰豫时间近
系数的大小, 还必须综合考虑其电导率, 热导 率等诸多因素. 目前最常用的一 个参数是材 料的优 值 Z, 其 定义为 Z = 2s#/ k , 这里 s 是 Seebeck 系数, # 是电导率, k 是热导率. 此外, 尚有无量纲优值( ZT ) 常用于表征热电材料的 性能, 这里 T 是绝对温度.
1 节能与环保—21 世纪人类面临的严重挑 战
节能与环保是 21 世纪人类面临的严重 问题. 中国正处在持续发展的关键阶段, 开发 新能源和充分利用低品位能源、废能源 具有 重大意义. 同时, 通过节能可以节约大量燃 料, 对于降低我国在二氧化碳, 二氧化硫和氮 氧化物的排放都具有直接的影响. 我国在各 种工业过程中存在大量的热能浪费现象, 发 展各种环境友好的节能技术, 是十分重要的.
图 3 温差发电机结构示意图
3 国际国内研究发展现状 3. 1 已取得的研究进展
尽管温差发电由于材料成本昂贵等因素 的制约未能在工业上大面积采用, 但在军事 与航天应用、远离城市的边远地区, 以及海上 作业平台等特殊场合还是受到了人们的高度 重视, 目前已成功开发出不少产品, 其中部分 产品已商品化.
平均无故障时间 2000 小时
250 小时
维护 燃料消耗
无运动部 件, 无须 润滑
1. 35kg/ h ( 0. 46 加仑/ 时)
运 转 150 小 时 定 期维修
0. 73k g/ h ( 0. 25 加仑/ 时)
工作温度范围 - 31℃到+ 51℃ - 31℃到+ 51℃
图 4 美国陆军部电子技术与器件 实验室研制的 500W 温差发电机