熱電轉(zhuǎn)換材料ppt課件

1、第二節(jié)第二節(jié) 熱電轉(zhuǎn)換資料熱電轉(zhuǎn)換資料太陽輻射到地球的熱可利用適當(dāng)?shù)馁Y料進(jìn)展熱電轉(zhuǎn)換加以太陽輻射到地球的熱可利用適當(dāng)?shù)馁Y料進(jìn)展熱電轉(zhuǎn)換加以.熱電轉(zhuǎn)換資料還廣泛運(yùn)用于、制冷等方面熱電轉(zhuǎn)換資料還廣泛運(yùn)用于、制冷等方面.一一.熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)：在用不同導(dǎo)體構(gòu)成的閉合電路中，假設(shè)使其結(jié)合部位出現(xiàn)溫度差，那么在熱電效應(yīng)：在用不同導(dǎo)體構(gòu)成的閉合電路中，假設(shè)使其結(jié)合部位出現(xiàn)溫度差，那么在此閉合電路中將有熱電流流過，或產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，此景象稱熱電效應(yīng)此閉合電路中將有熱電流流過，或產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，此景象稱熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)有三種：熱電效應(yīng)有三種：塞貝克塞貝克(Seebeck)效應(yīng)效應(yīng)帕耳帖帕耳帖(Peltie

2、r)效應(yīng)效應(yīng)(Thomson)效應(yīng)效應(yīng)一塞貝克一塞貝克(Seebeck)效應(yīng)：效應(yīng)：11821年塞貝克年塞貝克(TJSeebeck)發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種不同的金屬不同的金屬A、B組成組成回路，且兩接觸點(diǎn)的回路，且兩接觸點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路溫度不同時(shí)，在回路中產(chǎn)生電流，這稱為中產(chǎn)生電流，這稱為塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)當(dāng)兩接觸點(diǎn)的溫差較小當(dāng)兩接觸點(diǎn)的溫差較小時(shí)，回路中的電動(dòng)勢(shì)時(shí)，回路中的電動(dòng)勢(shì)EAB與溫差有線性關(guān)系：與溫差有線性關(guān)系： EAB =SAB TT兩接觸點(diǎn)的溫差，兩接觸點(diǎn)的溫差，SAB相對(duì)塞貝克系數(shù)，相對(duì)塞貝克系數(shù)，SAB = SA - SBSA 、 SB金屬金屬A 、金、金屬屬B的絕對(duì)塞

3、貝克系數(shù)的絕對(duì)塞貝克系數(shù)2將回路斷開，在斷開處將回路斷開，在斷開處a 、b間便出現(xiàn)一個(gè)電動(dòng)勢(shì)差，即間便出現(xiàn)一個(gè)電動(dòng)勢(shì)差，即VVb-Va，其極性和，其極性和量值與回路中的熱電動(dòng)勢(shì)一致量值與回路中的熱電動(dòng)勢(shì)一致二帕耳帖二帕耳帖(Peltier)效應(yīng)：效應(yīng)： 1834年帕耳帖年帕耳帖(J.C.A. Peltier)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種不同金屬組成回路并有電流發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種不同金屬組成回路并有電流(不論是熱不論是熱電流還是外加的電流在回路中流過時(shí)，在兩種金屬的一個(gè)接點(diǎn)處放出熱量，而電流還是外加的電流在回路中流過時(shí)，在兩種金屬的一個(gè)接點(diǎn)處放出熱量，而在另一個(gè)接點(diǎn)處吸收熱量改動(dòng)電流的方向，那么吸、放熱的接點(diǎn)也對(duì)調(diào)這

4、種在另一個(gè)接點(diǎn)處吸收熱量改動(dòng)電流的方向，那么吸、放熱的接點(diǎn)也對(duì)調(diào)這種效應(yīng)稱帕耳帖效應(yīng)稱帕耳帖 (Peltier) 效應(yīng)它滿足下式：效應(yīng)它滿足下式：QAB = AB IQAB接點(diǎn)處吸收帕耳帖熱的接點(diǎn)處吸收帕耳帖熱的速率；速率； AB 金屬金屬A和和B間相對(duì)間相對(duì)帕耳帖系數(shù)；帕耳帖系數(shù)； I經(jīng)過的電流經(jīng)過的電流強(qiáng)度強(qiáng)度AB = A - B A 、 B 分別是金屬分別是金屬A和金屬和金屬B的絕對(duì)帕耳帖系數(shù)的絕對(duì)帕耳帖系數(shù)T1 - TT2 + TAB帕耳帖帕耳帖(Peltier)效應(yīng)效應(yīng)吸熱吸熱放熱放熱3三湯姆遜三湯姆遜(Thomson)效應(yīng)效應(yīng)1851年湯姆遜根據(jù)熱力學(xué)實(shí)際，年湯姆遜根據(jù)熱力學(xué)實(shí)際，

5、證明帕耳帖效應(yīng)是塞貝克效應(yīng)證明帕耳帖效應(yīng)是塞貝克效應(yīng)的逆過程并預(yù)測(cè)，當(dāng)具有溫的逆過程并預(yù)測(cè)，當(dāng)具有溫度梯度的一根均勻?qū)w經(jīng)過電度梯度的一根均勻?qū)w經(jīng)過電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生吸熱和放熱景象流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生吸熱和放熱景象這就是湯姆遜這就是湯姆遜(Thomson)效應(yīng)效應(yīng)如右圖：一根均勻的導(dǎo)體在某如右圖：一根均勻的導(dǎo)體在某一點(diǎn)一點(diǎn)O加熱至加熱至T2溫度，兩端點(diǎn)溫度，兩端點(diǎn)P1 、 P2點(diǎn)溫度一樣且為點(diǎn)溫度一樣且為T1 圖圖(a)假設(shè)這均一的導(dǎo)假設(shè)這均一的導(dǎo)體構(gòu)成回路圖體構(gòu)成回路圖(b) ，當(dāng)有，當(dāng)有電流經(jīng)過時(shí)，那么電流經(jīng)過時(shí)，那么P1 、 P2點(diǎn)會(huì)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)溫度差設(shè)湯姆遜熱效應(yīng)出現(xiàn)溫度差設(shè)湯姆遜熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱吸收

6、率為產(chǎn)生的熱吸收率為 qA(對(duì)于導(dǎo)對(duì)于導(dǎo)體體A)，那么，那么P1OP2熱流熱流恒溫槽恒溫槽T1T1T2熱的傳送熱的傳送P1OP2加熱點(diǎn)加熱點(diǎn)單一單一導(dǎo)體導(dǎo)體T1-TT1+TT2a)b)a)均勻?qū)w構(gòu)成溫度差；均勻?qū)w構(gòu)成溫度差；b)電流經(jīng)過有溫度差的導(dǎo)體電流經(jīng)過有溫度差的導(dǎo)體產(chǎn)生吸熱和放熱產(chǎn)生吸熱和放熱湯姆遜湯姆遜(Thomson)效應(yīng)效應(yīng)4 A導(dǎo)體導(dǎo)體A的湯姆遜系數(shù)；的湯姆遜系數(shù)；dT/dx導(dǎo)體溫度梯度；導(dǎo)體溫度梯度；j電流密度電流密度假設(shè)電流方向與熱流方向一致那么放出熱量假設(shè)電流方向與熱流方向一致那么放出熱量(電流產(chǎn)生的焦耳熱之外電流產(chǎn)生的焦耳熱之外)，反之那么吸熱，反之那么吸熱.現(xiàn)實(shí)上，

7、上述熱電效應(yīng)不僅存在于金屬導(dǎo)體中，也存在于半導(dǎo)體中現(xiàn)實(shí)上，上述熱電效應(yīng)不僅存在于金屬導(dǎo)體中，也存在于半導(dǎo)體中.金屬的熱電效應(yīng)較弱，半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)顯著金屬的熱電效應(yīng)較弱，半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)顯著二二. 熱電偶資料熱電偶資料熱電偶資料熱電偶資料: 利用熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)利用熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào), 從而實(shí)現(xiàn)溫度丈量的材從而實(shí)現(xiàn)溫度丈量的材 料料.當(dāng)當(dāng)A、B兩種導(dǎo)體構(gòu)成圖兩種導(dǎo)體構(gòu)成圖55所示的回路時(shí)，按塞貝克效該當(dāng)端點(diǎn)所示的回路時(shí)，按塞貝克效該當(dāng)端點(diǎn)T1和和T2的溫度不同時(shí)，的溫度不同時(shí)，回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)根據(jù)熱電勢(shì)和溫差的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)出電勢(shì)即可得出溫度回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)根據(jù)

8、熱電勢(shì)和溫差的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)出電勢(shì)即可得出溫度.熱電極資料：構(gòu)成熱電偶的導(dǎo)體熱電極資料：構(gòu)成熱電偶的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體或半導(dǎo)體)稱為熱電極資料稱為熱電極資料性能要求：熱電勢(shì)大，熱電勢(shì)隨溫度呈單調(diào)函數(shù)變化，熔點(diǎn)高、抗高溫氧化性和抗環(huán)性能要求：熱電勢(shì)大，熱電勢(shì)隨溫度呈單調(diào)函數(shù)變化，熔點(diǎn)高、抗高溫氧化性和抗環(huán)境介質(zhì)腐蝕，熱電特性穩(wěn)定，有良好的加工性能及機(jī)械強(qiáng)度等境介質(zhì)腐蝕，熱電特性穩(wěn)定，有良好的加工性能及機(jī)械強(qiáng)度等dxdTjqAA5熱電極資料：熱電極資料：鉑銠合金鉑銠合金NiCr10合金合金康銅等康銅等熱電偶熱電偶: 鉑銠鉑銠-鉑鉑, NiCr10-康銅康銅, Fe-康銅等康銅等.三熱電轉(zhuǎn)換資料三熱電轉(zhuǎn)換

9、資料熱電轉(zhuǎn)換資料：用于熱電發(fā)電、熱電制冷等方面的資料熱電轉(zhuǎn)換資料：用于熱電發(fā)電、熱電制冷等方面的資料熱電資料與其它能源轉(zhuǎn)換相比本錢高，效率低但在一些特定場(chǎng)所和條件下，運(yùn)熱電資料與其它能源轉(zhuǎn)換相比本錢高，效率低但在一些特定場(chǎng)所和條件下，運(yùn)用熱電轉(zhuǎn)換資料來獲得能源非常必要用熱電轉(zhuǎn)換資料來獲得能源非常必要熱電轉(zhuǎn)換元件任務(wù)原理：熱電轉(zhuǎn)換元件任務(wù)原理：6如以下圖：如以下圖：p型半導(dǎo)體資料的絕對(duì)塞貝克系數(shù)型半導(dǎo)體資料的絕對(duì)塞貝克系數(shù)Sp為正值、為正值、n型半導(dǎo)體資料的絕對(duì)塞貝克型半導(dǎo)體資料的絕對(duì)塞貝克系數(shù)系數(shù)Sn 為負(fù)值，為負(fù)值，A端溫度為端溫度為Tc、B端溫度為端溫度為Th 回路中經(jīng)過電流為回路中經(jīng)過電

10、流為I，電流由，電流由n型半導(dǎo)型半導(dǎo)體流向體流向p型半導(dǎo)體，由于帕耳帖效應(yīng)在型半導(dǎo)體，由于帕耳帖效應(yīng)在A端電極處吸熱，在端電極處吸熱，在B端電極處放熱端電極處放熱. 假設(shè)堅(jiān)持電假設(shè)堅(jiān)持電流、流、A端和端和B端溫度不變，那么該電熱元件由端溫度不變，那么該電熱元件由A端延續(xù)不斷的從對(duì)象中吸熱，由端延續(xù)不斷的從對(duì)象中吸熱，由B端放端放熱，實(shí)現(xiàn)熱電制冷熱，實(shí)現(xiàn)熱電制冷.A端端Tc B端端Th7資料資料當(dāng)前運(yùn)用和正在開發(fā)的熱電轉(zhuǎn)換資料半導(dǎo)體，按運(yùn)用溫度分，主要有三類：當(dāng)前運(yùn)用和正在開發(fā)的熱電轉(zhuǎn)換資料半導(dǎo)體，按運(yùn)用溫度分，主要有三類： (1)低溫區(qū)低溫區(qū)(300-400)：Bi2Te3、Sb2Te3 、

11、HgTe、Bi2Se3 、 Sb2Se3、ZnSb及它們的復(fù)合體及它們的復(fù)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(dǎo)體，其晶體構(gòu)造為菱面體點(diǎn)陣，屬化合物半導(dǎo)體，其晶體構(gòu)造為菱面體點(diǎn)陣，屬C33構(gòu)造。這些化合物可互溶且有較大的互溶度構(gòu)造。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系化合物既可作為合金，也可當(dāng)作半導(dǎo)體。具有離子鍵結(jié)合的系化合物既可作為合金，也可當(dāng)作半導(dǎo)體。具有離子鍵結(jié)合的NaCl型晶體構(gòu)造。型晶體構(gòu)造。該化合物的固溶范圍很小該化合物的固溶