溫差發(fā)電 效率低原因

【專家解說(shuō)】：溫差發(fā)電-溫差發(fā)電 溫差發(fā)電-正文 一塊導(dǎo)體或者半導(dǎo)體的兩端如果溫度不同就會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，稱為賽貝克效應(yīng)，利用這個(gè)原理發(fā)電就叫溫差發(fā)電。 圖1為簡(jiǎn)單的溫差發(fā)電元件（或稱溫差電池），N型半導(dǎo)體1和P型半導(dǎo)體2在一端用金屬片3連接起來(lái)，另一端接負(fù)載電阻R。當(dāng)一端加熱至溫度T1，而另一端保持在溫度T0時(shí)，回路中產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，使負(fù)載電阻上有電流I流過(guò)，根據(jù)塞貝克定律 式中α為電池兩臂溫差電動(dòng)勢(shì)率之和，r為兩臂的內(nèi)阻之和。 r＝(ρ1/s1+ρ2/s2)l 式中ρ1、ρ2、 s1、s2分別表示兩臂的電阻率和橫截面積；l表示兩臂的長(zhǎng)度。負(fù)載電阻上得到的功率為 溫差發(fā)電效率的定義是外電路中得到的有用電能I2R與熱源所消耗的能量之比。熱源消耗的能量包括以下幾項(xiàng)： ① 在熱端吸收的珀?duì)柼麩酫1 Q1＝α2T1(T1-T0)/(R+r) ② 由熱端傳導(dǎo)到冷端的熱量Qm Qm＝K(T1-T0) 式中K為熱導(dǎo) K＝(λ1s1+λ2s2)/l 式中λ1、λ2分別為兩臂的熱導(dǎo)率。 ③ 溫差電池內(nèi)部，電流I流過(guò)所放出的焦耳熱中，有一半將轉(zhuǎn)移到熱端，因而把功率還給熱源。 湯姆遜熱較小，可以忽略不計(jì)。在最大輸出功率條件下，即R＝r時(shí)，溫差電池的效率為 式中 稱為溫差材料的品質(zhì)因數(shù)。如果選 則得最大效率為 因此，溫差發(fā)電機(jī)的效率主要取決于熱端和冷端的溫度和溫差發(fā)電材料的品質(zhì)因數(shù)Z，Z值還強(qiáng)烈地依賴于溫度，因而對(duì)于不同的工作溫度需要選取不同的材料。 最早用的溫差發(fā)電材料為ZnSb合金(P型),用康銅片(N型)連接，其熱端溫度可達(dá)400。Bi2Te3-Bi2Se3固溶體(N型)和Bi2Te3-Sb2Te3固溶體在0～300范圍內(nèi)具有較高品質(zhì)因數(shù)(),是較好的低溫溫差發(fā)電材料。在300到600的中等溫區(qū),常采用PbTe或PbTe與SnTe或 PbSe的固溶體、GeTe、AgSbTe2等作溫差發(fā)電材料。600以上的高溫發(fā)電材料有Ge-Si合金、MnTe等。人們對(duì)稀土元素的硫化物、碳硼化合物以及In-Ga-As系已作了較多的研究。 在溫差發(fā)電機(jī)中，在較大溫差下，為了使溫差電池臂的所有部分都具有較高品質(zhì)因數(shù)，可采取“分段”的辦法,處于不同溫度的電偶臂的各段,采用不同材料或不同成分。圖2a的兩段電偶臂采用不同材料。這種結(jié)構(gòu)當(dāng)上端溫度為550、溫差為530時(shí)，效率可達(dá)12％。圖2b是成分分段改變的溫差電池，當(dāng)熱端溫度為1000K,冷端溫度為300K時(shí)效率可達(dá)12％～15％。 半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部分，因而無(wú)噪聲、壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定可靠、輕便，且可利用各種能源，包括固、液、氣態(tài)燃料,太陽(yáng)能、核能,以及各種設(shè)備的廢熱、余熱等，因而特別適用于軍事、勘探和邊遠(yuǎn)地區(qū)等的小功率發(fā)電和星際航行。 80年代美國(guó)已研制成 500瓦的軍用溫差發(fā)電機(jī)。利用同位素加熱的核能溫差發(fā)電機(jī)已應(yīng)用于航天。