熱電轉換材料

1、1第二節(jié)第二節(jié) 熱電轉換材料熱電轉換材料太陽輻射到地球的熱太陽輻射到地球的熱可利用適當的材料可利用適當的材料進行熱電轉換進行熱電轉換加以加以.熱電轉換材料熱電轉換材料還廣泛應用于、還廣泛應用于、制冷制冷等方面等方面.一一.熱電效應熱電效應熱電效應：熱電效應：在在用不同導體用不同導體構成的構成的閉合電路中閉合電路中，若使其，若使其結合部位結合部位出現溫度差出現溫度差，則在此閉合電路中將有則在此閉合電路中將有熱電流流過熱電流流過，或，或產生熱電動勢產生熱電動勢，此現象稱，此現象稱熱電效應熱電效應熱電效應有三種熱電效應有三種： 塞貝克塞貝克(seebeck)效應效應 帕耳帖帕耳帖(peltier)效

2、應效應 (thomson)效應效應（一）塞貝克（一）塞貝克(seebeck)效應：效應：21821年塞貝克年塞貝克(tjseebeck)發(fā)現當發(fā)現當兩種兩種不同的金屬不同的金屬a、b組成組成回路，且回路，且兩接觸點的兩接觸點的溫度不同時溫度不同時，在回路，在回路中中產生電流產生電流，這稱為，這稱為塞貝克效應塞貝克效應當兩接觸點的溫差較小當兩接觸點的溫差較小時，回路中的時，回路中的電動勢電動勢 eab與溫差有與溫差有線性關系：線性關系： eab =sab t t兩接觸點的溫差，兩接觸點的溫差，sab相對相對塞貝克系數塞貝克系數，sab = sa - sbsa 、 sb金屬金屬a 、金金屬屬b的的

3、絕對塞貝克系數絕對塞貝克系數3 將回路斷開，在斷開處將回路斷開，在斷開處a 、b間便出現一個間便出現一個電動勢差電動勢差，即，即 vvb-va，其極性和量值其極性和量值與回路中的熱電動勢一致與回路中的熱電動勢一致（二）帕耳帖（二）帕耳帖(peltier)效應：效應： 1834年帕耳帖年帕耳帖(j.c.a. peltier)發(fā)現，當發(fā)現，當兩種兩種不同金屬不同金屬組成回路組成回路并并有電流有電流(不管不管是是熱電流熱電流還是還是外加的電流外加的電流）在回路中流過時，在兩種金屬的）在回路中流過時，在兩種金屬的一個接點處一個接點處放出放出熱量熱量，而在，而在另一個接點處另一個接點處吸收熱量吸收熱量改

4、變電流的方向，則吸、放熱的接點也改變電流的方向，則吸、放熱的接點也對調這種效應稱對調這種效應稱帕耳帖帕耳帖 (peltier) 效應效應它滿足下式：它滿足下式：qab = ab iqab接點處接點處吸收帕耳帖熱的吸收帕耳帖熱的速率速率； ab 金屬金屬a和和b間間相對相對帕耳帖系數帕耳帖系數； i通過的電流通過的電流強度強度 ab = a - b a 、 b 分別是金屬分別是金屬a和金屬和金屬b的的絕對絕對帕耳帖系數帕耳帖系數t1 - tt2 + tab帕耳帖帕耳帖(peltier)效應效應吸熱吸熱放熱放熱4（三）湯姆遜（三）湯姆遜(thomson)效應效應1851年湯姆遜根據熱力學理論，年湯

5、姆遜根據熱力學理論，證明證明帕耳帖效應帕耳帖效應是是塞貝克效應塞貝克效應的的逆過程逆過程并預測并預測，當，當具有具有溫溫度梯度度梯度的一根均勻導體的一根均勻導體通過電通過電流時流時，會產生，會產生吸熱吸熱和和放熱放熱現象現象這就是這就是湯姆遜湯姆遜(thomson)效應效應如右圖：一根均勻的導體在某如右圖：一根均勻的導體在某一點一點o加熱至加熱至t2溫度，兩端點溫度，兩端點p1 、 p2點溫度相同且為點溫度相同且為t1 （圖（圖(a)）如果這均一的導）如果這均一的導體構成體構成回路回路（圖（圖(b)） ，當有當有電流通過時電流通過時，則，則p1 、 p2點會點會出現出現溫度差溫度差設湯姆遜熱效

6、應設湯姆遜熱效應產生的產生的熱吸收率熱吸收率為為 qa(對于導對于導體體a)，則，則p1op2熱流熱流恒溫槽恒溫槽t1t1t2熱的傳遞熱的傳遞p1op2加熱點加熱點單一單一導體導體t1- tt1+ tt2a)b)a)均勻導體形成溫度差；均勻導體形成溫度差；b)電流通過有溫度差的導體電流通過有溫度差的導體產生吸熱和放熱產生吸熱和放熱湯姆遜湯姆遜(thomson)效應效應5 a導體導體a的的湯姆遜系數湯姆遜系數；dt/dx導體導體溫度梯度溫度梯度；j電流密度電流密度若若電流方向電流方向與與熱流方向熱流方向一致則一致則放出熱量放出熱量(電流產生的焦耳熱之外電流產生的焦耳熱之外)，反之則，反之則吸熱吸

7、熱.事實上，上述熱電效應不僅存在于事實上，上述熱電效應不僅存在于金屬導體金屬導體中，也存在于中，也存在于半導體半導體中中.金屬金屬的熱電效應較的熱電效應較弱弱，半導體半導體的熱電效應的熱電效應顯著顯著二二. 熱電偶材料熱電偶材料熱電偶材料熱電偶材料: 利用熱電轉換效應將利用熱電轉換效應將溫度信號溫度信號轉換成轉換成電信號電信號, 從而實現溫度測量的材從而實現溫度測量的材 料料.當當a、b兩種導體構成圖兩種導體構成圖55所示的回路時，按塞貝克效應當所示的回路時，按塞貝克效應當端點端點t1和和t2的的溫溫度不同時度不同時，回路中產生，回路中產生熱電勢熱電勢根據根據熱電勢和溫差的對應關系熱電勢和溫差

8、的對應關系，測出電勢即可，測出電勢即可得出得出溫度溫度.熱電極材料熱電極材料：構成熱電偶的導體：構成熱電偶的導體(或半導體或半導體)稱為稱為熱電極材料熱電極材料 性能要求：性能要求：熱電勢大熱電勢大，熱電勢隨溫度呈單調函數變化熱電勢隨溫度呈單調函數變化，熔點高、，熔點高、抗高溫氧抗高溫氧化性和抗環(huán)境介質腐蝕化性和抗環(huán)境介質腐蝕，熱電特性穩(wěn)定，有良好的加工性能及機械強度，熱電特性穩(wěn)定，有良好的加工性能及機械強度等等dxdtjqaa6 熱電極材料：熱電極材料： 鉑銠合金鉑銠合金 nicr10合金合金 康銅康銅等等熱電偶熱電偶: 鉑銠鉑銠-鉑鉑, nicr10-康銅康銅, fe-康銅康銅等等.三熱電

9、轉換材料三熱電轉換材料熱電轉換材料：熱電轉換材料：用于熱電發(fā)電、熱電制冷等方面的材料用于熱電發(fā)電、熱電制冷等方面的材料 熱電材料與其它能源轉換相比熱電材料與其它能源轉換相比成本高成本高，效率低效率低但在一些特定場合和條但在一些特定場合和條件下，使用熱電轉換材料來獲得能源十分必要件下，使用熱電轉換材料來獲得能源十分必要熱電轉換元件工作原理：熱電轉換元件工作原理：7如下圖：如下圖：p型半導體材料型半導體材料的的絕對塞貝克系數絕對塞貝克系數sp為為正值正值、n型半導體材料型半導體材料的的絕對絕對塞貝克系數塞貝克系數sn 為為負值負值，a端溫度為端溫度為tc、b端溫度為端溫度為th 回路中通過電流為回

10、路中通過電流為i，電流由電流由n型型半導體半導體流向流向p型型半導體，由于帕耳帖效應在半導體，由于帕耳帖效應在a端電極處吸熱端電極處吸熱，在，在b端端電極處放熱電極處放熱. 若若保持電流、保持電流、a端和端和b端溫度不變端溫度不變，則該電熱元件由，則該電熱元件由a端連續(xù)不端連續(xù)不斷的斷的從對象中吸熱從對象中吸熱，由，由b端放熱，端放熱，實現熱電制冷實現熱電制冷.a端端tc b端端th8材料材料 當前使用和正在開發(fā)的熱電轉換材料（當前使用和正在開發(fā)的熱電轉換材料（半導體半導體），按使用溫度分，主要），按使用溫度分，主要有三類：有三類： (1)低溫區(qū)低溫區(qū)(300- -400)：bi2te3、sb

11、2te3 、 hgte、bi2se3 、 sb2se3、znsb及它們的復合體及它們的復合體. (2)中溫區(qū)中溫區(qū)( 700):pbte、sbte、bi(sisb2)、bi2(gese)3等等. (3)高溫區(qū)高溫區(qū)(700)：crsi2、mnsi1.73、fesi2、cosi等等. (一一)bi2te3-sb2te3系化合物系化合物 sb2te3、bi2se3、sb2se3均屬均屬bi2te3化合物半導體化合物半導體，其晶體結構為菱，其晶體結構為菱面體點陣，屬面體點陣，屬c33結構。這些化合物可互溶且有較大的互溶度結構。這些化合物可互溶且有較大的互溶度. (二二)pbte型化合物型化合物 pbte系化合物既系化合物既可作為合金，也可當作半導體可作為合金，也可當作半導體。具有。具有離子鍵結合離子鍵結合的的nacl型晶體結構。該化合物的固溶范圍很小型晶體結構。該化合物的固溶范圍很小.9