熱電轉換

在我們的現代生活中，大到工業生產、交通運輸，小到日常生活，每天都在消耗著大量的能量，然而這些能量並沒有得到充分的利用。在能量的利用過程中，總有一部分能量未能得到利用，而是轉化為熱能散失掉了。應用熱電材料進行熱電轉換可以利用這部分能量。

熱電材料是通過其內部載流子的移動及其相互作用，來完成電能和熱能之間相互轉換的一種功能材料。與一般的發電方法相比，優勢在於沒有外部的轉動部件，因此工作時沒有雜訊、沒有部件之間的磨損等。另外，由於它沒有流體態的介質，可以說基本沒有環境污染。熱電材料的主要特點是：它可以像壓縮軟體一樣把熱量打包，傳送給材料中電能的載體——電子或空穴載流子，它們在把熱量從溫度高的一端運輸到溫度低的一端的同時，由於電子或空穴的定向移動，這種材料的兩端就會產生電壓。而所產生的這種電壓，就為人們提供了可利用的能源。

熱電材料的理想特性一般要求，內阻較低以減少內部電流產生的損耗（發熱）；較低的導熱係數（熱導率）以減少從高溫端向低溫端的熱傳導；較高的熱電動勢（開路）。大多數物質的熱電動勢只有幾微伏每度溫差，不適宜作為熱電材料。最適合的材料是半導體材料，如碲化鉛、鍺硅合金、碲化鍺，等等。

熱電效應包括下列三種基本效應：

（1）第一熱電效應，亦稱為“塞貝克（Seebeck）效應”。把兩種不同的導體連接成閉合迴路，如兩個接點的溫度不同，則迴路中將產生一個電勢，稱為“熱電勢”（圖1a），且溫度差越大，熱電勢亦越大。

（2）第二熱電效應，亦稱為“珀爾帖（Peltier）效應”。當電流通過由兩種不同的金屬組成的迴路時，在金屬導體中除了產生焦耳熱之外，還要在接點吸收或放出一定熱量——珀爾帖熱（圖1b）。

（3）第三熱電效應，亦稱為“湯姆遜（Thompson）效應”。如果使一金屬導體兩端保持恆定的溫差，在時間τ內通過電流i，則在兩端點間依電流方向不同放出或吸收一定的熱量Q（湯姆遜熱），且

式中σ——湯姆遜係數。湯姆遜效應是可逆的（圖1c）。

（a）塞貝克效應；（b）珀爾帖效應；（c）湯姆遜效應

熱電轉換器也是一種熱機，它從高溫熱源吸熱，向低溫熱源放熱，並將部分熱轉換成為電功。因此它的理論最高效率仍然是卡諾循環效率。由於各種損失的存在，熱電轉換器的效率與卡諾循環限制相去甚遠。理論分析表明熱電轉換器的效率能夠大於，但實際建成裝置的效率大都遠低於這個值，隨著半導體材料的發展，熱電轉換器的效率接近是個合理的目標。至於應用，可在非洲偏遠地區用油燈的餘熱為收音機供電，可在海洋上用海水溫差驅動聲納浮標。