熱電轉換

熱能和電能之間的相互轉換

熱電轉換是指熱能和電能之間的相互轉換。熱電效應包括塞貝克(Seebeck)效應、珀爾帖(Peltier)效應、湯姆遜(Thompson)效應。熱電轉換效應的發現,引起了科學界極大的興趣,因為從宏觀上講,熱電轉換效應意味著熱能與電能之間的直接轉換。如何使這種效應成為實際應用中的能量轉換與利用。

介紹


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


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。

熱電效應原理


圖1 熱電效應
圖1 熱電效應
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


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。