半导体热电发电技术

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$% !""!年 第 #期
!
发展前景与方向
!"#" 年 $%&’(’) 推 导 半 导 体 热 电 发 电 机 理 论 上 能够达到的最大效率为 *#+ ,而目前半导体热电发 电机的实际效率仅为 ,+ 左右。其中主要原因在于 半导体 材 料 的 优 值 系 数 &- 较 低 , 这 已 经 成 为 限 制
G)0:(98O’) 太阳能研究所建立了一栋示 范 性 小 图 书
馆,图书馆整块墙面采用落地双层玻璃窗,夹层内 填充了硅气溶胶。由于硅气溶胶对光线有良好的散 射透射性,白天图书馆内的光线极为柔和舒适。 硅气溶胶的传热系数 # 和光散射透射比 "E=O 都与
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*,#& 高 , F,#& 宽 , !,&& 长 。 该 装 置 能 够 输 出 !2,&"的电压。这种半导体热电发电机价格比较便
宜、安装十分灵活,能够循环使用将周围环境的热 量转化为电能。此项研究由德国工业研究协会 ( 微组织 5-V)出资赞助,成果发表在 !,,* 年 ) 月 《 工程》国际期刊上。 最近国外还报道了一项十分有趣的产品。研究 者发明了一种靠人体温度驱动的新款手表。整个装
导体材料按照一定的排列组合方式构成的半导体堆 ( 。因此,半导体热电发电也经常被称 67&.12:-+&) 为半导体热电堆发电。 半导体热电发电机的工作过程如图 ! 所示。发 电机工作于冷热源之间,其热端从热源吸热,然后 由冷端向冷源放热,同时将热能转化为电能,以温 差电动势或电流的形式输出。 半导体热电发电机产生的温差电动势主要由汤 姆逊 ( 6721;23)电动势和帕尔贴电动势组成。其 中,汤姆逊电动势是由半导体材料中导电机构 ( 自
!""N 年 P’)4’) 等人尝试把硅气溶胶运用于真空平板
集热器以提高太阳集热器的效率。 近来, 一种导热系数为 >%>>#Q @ ( ・ 的微孔超 M 2) 级保温材料的出现,提高了人们设计硅胶集热器的 积极性。这种保温材料可用做集热器背侧保温层和 透明隔离薄膜。 如同含硅胶的玻璃平板太阳集热器,
半导体热电发电机技术进一步发展与应用的瓶颈。 指出了几 ./012 研究了大量的二元半导体材料, 种最有希望的材料,它们是 3).4*、 5’6-’!#以及 786-’, 等。 70)19:2 的研究表明三元半导体材料 7(;</*.=6的 塞贝克系数可以达到!>>!? @ A 。近年来的实验还发 现, 一些有机聚合物的塞贝克系数超过了!>>!? @ A , 而且电导率与金属相当, 热电性能十分吸引人。
4A% 公司应用物理实验室 ( 57@)测试了整个装置
的安全性,并提供了技术支持。热电发电机冷热端 的工作温差为=,,$,效率约为=B。 加拿大的 ;C.8DC 热电公司从 *1== 年开始,将空 间 :9; 技术转为商业化的半导体热电发电机技术。 目前, ;C.8DC 已经成为世界上最大的热电发电机供
!"值。 ! 研究应用现状 前苏联 -.//0 等人早在 *123 年就开始研究利用农
村普遍使用的燃油灯的热量转化成电能,以驱动无 线电收音机。而在北欧地理位置相对偏远的地区, 人们研制出一种能够放置在木柴炉上的小型热电发 电机。它利用木柴炉燃烧释放的热量产生电能,以 替代汽油发电机,为当地居民提供夜间照明用电。 在深层宇宙探测中,半导体热电发电机技术被 用于替代太阳电池为探测器提供电能。这主要因为 飞行器远离太阳系以后,仅仅依靠太阳电池板来吸 收太阳辐射能量很难获得充足的电力。因此,飞行 器必须有新的电能提供方式,这就为热电发电技术 的开发利用提供了广阔的舞台。美国军方和航空航 天局 ( 45%5)较早地将半导体热电堆发电技术用 于阿波罗、先锋者、开拓者、旅行者等空间任务 中。比较典型的伽利略号探测器就装载了 ! 台 !62’ 的碲化铅 ( 。 每 台 :9; 7890) 热 电 发 电 机 ( :9;) 的重量约为22(<,由一个热源和一个热电转化系统 组成。其中热源由放射性同位素钚—!)6 ( 半衰期 为 6=+6 年)提供。钚>!)6 的重量约为 **(< ,被压缩 到 =! 个直径和高度均为 !+2?& 的陶瓷圆柱筒中,并 不断释放出大量的 " 粒子,被 :9; 的热端吸收后形 成热源。美国阿拉莫斯国家实验室 ( @54@) 和
置体积非常小巧,不需要安装化学电池,深受消费 者青睐。
Eຫໍສະໝຸດ BaiduH’D,也具有较高的&-值。 J=12D 和 C)’DD’/90:D 近 来 的 研 究 证 明 , !" 值 会
随着量子阱宽度的减小而增大。此外声子散射效应 以及非均匀异质结构边界的 K)0LL 反射效应都 会 提 高 &- 值。美国麻省理 工 大 学 林 肯 实 验 室 的 J0)M0( 教授还 正 在 利 用 分 子 束 外 延 等 手 段 , 以 获 得 高 !" 值的半导体热电材料。 总之,随着以臭氧层破坏和温室气体效应为首 的环境危机和能源危机的加剧,各国科研工作者都 在致力于新能源的开发与利用。半导体热电发电机 技术正为我们开辟了发电技术的一个崭新的分支。 尽管目前半导体热电发电机技术尚无法取代传统热 机,尽管半导体热电发电机它在我国还几乎处于空 白领域,但是随着科学技术的进步,半导体材料的 日新月异,半导体热电发电机终将在我国国民经济 的各个领域得到广泛应用,并对于缓解日益增长的 能源与环境压力发挥越来越大的作用。
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太阳能
硅气溶胶在太阳能热利用中的应用

硅气溶胶已有6> 多年的发展历史,它是由二氧 化硅经特殊工艺处理制成的细微颗粒聚合物,颗粒 构成的支架间有大量微小均匀的空隙。硅气溶胶小 球很轻,用手指一捏,就碎成粉末。硅气溶胶的颗 粒构架抑制了空隙间空气的对流热损,因此可以作 为具有一定支撑力的高性能隔热材料。硅气溶胶与 同是含二氧化硅聚合物的玻璃一样,良好的散射透 射性是它的另一个特点。N>世纪,> 年代硅气溶胶被 开 发 用 于 隔 热 透 明 窗 和 太 阳 烤 箱 。 !""B 年 在 德 国
颗粒直径

溶胶颗粒直径有关,见表!。
表 " 硅气溶胶的颗粒直径与 传热系数 ! 和光的散射透射比 "#$%的关系
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最佳值
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基于硅气溶胶突出的隔热性和透射散射性,
韩刚
由电子或空穴)的热运动产生的。当半导体材料的 两端存在温差时,半导体的导电机构受到热激发后 运动状态会发生改变。对于 3 型半导体,自由电子 从高温向低温迁移,因此在低温端积累电子带负 电,而高温端缺乏电子带正电。同时,高低温端会 在导体中建立起一个静电场,一方面阻止自由电子 从高温向低温运动,一方面使反向的自由电子加速 到低温端。当达到静电平衡时,半导体两端就会形 成一定的电动势。对于 : 型半导体,导电机构主要 是空穴,与自由电子的电荷数目相等,但符号相 反。因此,产生的电动势也与3 型半导体相反。
太阳能
半导体热电发电技术
王华军
!"#$ 年 , 德 国 物 理 学 家 塞 贝 克 ( %&&’&()) 发
现了温差电流现象,即由两种不同金属构成的回路 中,如果结点处的温度不同,回路中就会产生一个 温差电动势。这就是著名的塞贝克效应或热电效 应。 !# 年后,法国科学家帕尔贴 ( *&+,-&.)又发现 了塞贝克效应的反效应—— —帕尔贴效应,即当电流 通过由两种不同金属构成的回路时,结点处会产生 吸热或放热现象。基于这两种物理现象,随后人们 进行了金属材料热电发电的探索性研究。但是由于 当时金属材料的热电性能较差,致使发电装置的能 量转换效率很低,实用价值受到极大的局限性。因 此,!// 多年间,除了将金属热电偶应用于温度测 量以外,对于热电发电的研究并没有大的突破。 进入#/世纪0/年代后期,半导体热电材料技术 得到飞速发展,这又重新激发起人们对半导体热电 发电的研究兴趣。半导体热电发电的核心装置是半 导体热电发电机 ( %&1-(2345(,2. 67&.12&+&(,.-( 。它具有体积小、重量轻、无运动部件、 8&3&.9,2. ) 运行寿命长、可靠性高以及无污染等诸多优点,并 迅速在军事、医疗、科研、通讯、航海、动力以及 工业生产等各个实践领域得到了广泛地应用。
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工作原理 半导体热电发电机,实质上是许多: 型和3 型半
图!
半导体热电发电机工作原理简图
帕尔贴电动势是由于两种不同半导体的结点两 端的自由电子以及空穴的密度不同引起的。自由电 子或空穴从一种半导体向另一种半导体迁移,最终 在结点的两端形成正负电荷积累,并建立起静电 场,阻止自由电子或空穴的移动。当达到平衡状态 时,结点两端就会形成一个电动势。 到目前为止,半导体热电发电机循环的效率一 般为0<!/= 。影响半导体热电发电机循环效率的因 素有很多,其中半导体材料的热电特性起着至关重 要 的 作 用 。 现 在 常 见 的 半 导 体 热 电 材 料 有 >-#6&$、
;C.8DC 研 制 的 固 体 热 电 发 电 机 主 要 由 气 体 燃 烧 器 、 热 电 堆 以 及 冷 却 器 ) 部 分 组 成 , 输 出 功 率 为 *2 G 22,’,设计寿命长达!,年。;C.8DC的半导体热电发
电机产品主要用于石油、远程电力、海上平台、无 线通讯等领域。泰国的海上石油平台采用了 ;.C8DC 生产的 !,,’ 半导体热电发电机为其无人看守的监 测控制及数据采集仪 ( %H5I5) 提 供 连 续 的 电 能 供 应 。 巴 西 在 5&DJ.K 热 带 雨 林 地 区 分 散 安 装 了 大 量 的 *!,’ 半 导 体 热 电 发 电 机 , 用 于 输 油 管 道 中 , 为金属管线提供阴极保护,以防止氧化腐蚀。 日本国家功能材料研究中心 ( %L:H) 以
LDMDK.8N 5ODK. 博士为首的科研人员正在研究利用
汽车尾气为热源的半导体热电发电机技术。这种半 导体热电发电机的热端是由具有较强净化能力的特 殊功能材料制造而成,一方面能够实现热电转化, 为汽车提供部分电力供应;另一方面,能够通过热 端材料吸附分解尾气中4EP 等有害气体,同时释放 出 4!和 E!等气体,达到减低污染气体排放的目的。 目前这一技术获得了很大的进展。 英国威尔士大学和日本大阪大学于*11* 年联合 研究大规模利用钢铁厂和垃圾焚烧厂的废弃余热产 生兆瓦级输出 电 功 率 的 项 目 。 该 课 题 以 )=)$ 的 钢 铁厂循环水为 热 源 , 冷 源 采 用 温 度 约 为 ),,$ 的 冷 却水,整个循环的温差约为=,$ ,效率在6—*,B 左 右。 德 国 IQ0MR0K 科 技 大 学 以 ’0K&SK TN 为 首 的 研 究工作组发明了一种利用铜箔作为介质的微型热电 发电机。这种半导体热电发电机由 *,, 对铋化碲半 导体 组 成 的 热 电 堆 构 成 , 面 积 约 为 *3U),&&!, 大 致与一个图钉相仿。其中每对铋化碲的尺寸为
%’#6&$、 >-#%&$、 *’6& 以 及 %-8& 等 。 在 理 论 研 究 中 ,
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太阳能
我们通 常 用 一 个 无 量 纲 的 优 值 系 数 !" 来 表 征 和 评 价 半 导 体 材 料 热 电 性 能 的 优 劣 。 !" 的 定 义 如 下 : 应商,并且通过了 -%E1,,! 质量认证体系,曾经两 度获得加拿大 “ 国家出口奖” 。它为世界各地 F2 个 国家的偏远地区提供了高质量、高可靠性、低价格 的基于半导体热电发电机技术的电力解决方案。
!"# ( $!!") % & , 其 中 $ 是 材 料 的 塞 贝 克 系 数 , 单
位为 " # $; ! 是材料的电导率,单位为 % # &; & 是材 料的热导率,单位为 ’ # ( ・ ; " 是绝对温度,单 & () 位为 $。 对于半导体热电材料而言,我们希望它具有以 下)个属性:*)较高的塞贝克系数,以获得较大的 温差电动势; !)较低的电阻率,以减小焦耳生成 热 ; )) 较 低 的 热 导 率 , 以 减 小 材 料 内 部 热 损 失 。 目 前 半 导 体 材 料 的 最 大 !" 值 仅 为 *+, 左 右 。 因 此 , 热电材料研究的最终目标就是尽可能地获得最高的
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