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温差电效应及应用


第 19 卷第 4 期 2006 年 8 月

高等函授学报 ( 自然科学版) Vol . 19 No . 4      Journal of Higher Correspondence Education ( Nat ural Sciences)      August 2006

文章编号 :1006 - 7353 ( 2006) 04

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温差电效应及其应用
张  鼎 ,余兰山

( 华中师范大学 物理科学与技术学院 ,武汉   430079)

  摘要 : 温差电效应又称热电效应 ,有着其它技术所不及的诸多优点和广泛的应用前景 。 本文简 要介绍了温差电现象 ,并着重涉及它的应用以及目前所面临的问题和对前景的展望 。 关键词 : 温差电效应 ; 珀尔贴效应 ; 塞贝克效应 ; 应用 中图分类号 :O472 + . 7        文献标识码 :A

  温差电是研究温差和电之间关系的科学 , 更 准确地说是研究热能和电能直接转换的科学 。 温 差电从发现至今已经有一百多年的历史了 , 但由 于金属的温差电效应非常微弱 , 所以在很长一段 时间内并未得到广泛的应用 。 自从人们发现用半 导体和金属氧化物代替金属可以使温差电效应得 到明显提高后 , 温差电效应的应用翻开了新的一 页。 目前温差电效应在航空航天 、 军事和生产生活 中的应用得到了长足的发展 , 特别是在发电和致 冷这两个方面 :温差发电能够促进能源结构的多 元化 , 缓解能源危机 , 其具有很强的稳定性且无污 染 , 如放射性同位素温差电源 ; 而在致冷方面 , 与 传统的致冷工艺相比 , 温差致冷具有很大的优越 性 , 应用如便携式手提冰箱 。 1 . 温差电效应 到目前为止 , 发现的温差电效应概括起来有 三种 : 1 . 1 塞贝克 ( Seebeck) 效应 如图 1 所示 , 由金属 A 、 接成的热电偶在两 B 个接点处保持不同的温度 T 和 T + ΔT , 实验发 现 , 回路中两接点处将产生电势差 , 且与两接点处 的 温 度 差 ΔT 成 正 比 ,即 Δ = ε ΔT . ξ AB

ε 称为温差电动势系数 , 它与材料及温度有关 。 AB 1 . 2 珀尔贴 ( Peltier ) 效应 如图 2 所示 , 将两种金属 A 、 相连接 , 并保持 B 其温度恒定不变 。 实验发现 , 当有电流通过电路 时 ,在一个接点 处有热量放出 , 在另一 接点 处 则吸收热量 , 如 果 将电 流方 向 图2 反向 , 则原来吸 热的一端变为放热 , 原来放热的一端变为吸热 , 以 J e 表示从 A 流往 B 的电流密度 , 单位时间内 , 单位 截面的导线在接点处所吸收的热量为 π J q = πAB J e . 式中 J q 称为珀尔帖热流密度 ,πAB 是该两种金属 π 的珀尔帖系数 , 取决于两种金属的性质 , 并与温度 有关 。 1 . 3 汤姆逊 ( Tho mso n) 效应 汤姆逊效应是英国科学家汤姆逊在 1854 年 发现的 , 当电流通过具有温度梯度的均匀导体时 , 除了放出焦耳热外 , 导体还需要放出或吸收另外 的热量 , 称为汤姆热 , 以 J e 表示电流密度 , 在单位 时间内 , 单位体积的导体放出的汤姆热 q T 为 Δ qT = - τ e ? T . J 式中τ是汤姆逊系数 , 它与温度和材料性质有关 ,

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图1 收稿日期 :2006 - 04 - 25 ) 作者简介 : 余兰山 ( 1953 — ,男 ,华中师范大学物理科学与技术学院 , 副教授 , 主要从事大学物理教育研究和物理实 验教学工作 。

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第 19 卷第 4 期 2006 年 8 月

高等函授学报 ( 自然科学版) Vol . 19 No . 4      Journal of Higher Correspondence Education ( Nat ural Sciences)      August 2006

这个现象称为汤姆逊效应 。 产生该效应原因有二 :
( 1 ) 因为出现温度梯度 , 导体本身各部分的物性

等良好的隐蔽性 , 所以广泛应用于潜艇和情报收集 传输的能源支持等方面 , 美国的导弹定位系统也利 用了温差发电技术。 温差电技术能够提供信号传输 所需要的能源 , 而不受地域和环境的限制。 2 . 3 生产生活中的应用 温差电技术在生产生活中还没有得到大范围 的应用 , 但是已经取得了可喜的进展 。 温差电技术 稳定性好 、 无需维护的特点使其在发电和输送困 难的偏远地区发挥着重要的作用 , 已用于极地 , 沙 漠 , 森林等无人区的微波中继站 , 无人航标灯 , 油 管的阴极保护等 。 前苏联从二十世纪六十年代末 开始先后制造了 1000 多个放射性同位素温差发 电机 , 广泛用于灯塔和导航标志 , 平均使用寿命长 于十年 。 在我们的日常生活中 , 利用废旧的 CPU 散热片 , 可以自制冰镇啤酒凉杯 , 在炎热的夏天 , 即使停电利用电池的电量也能喝上冰爽的啤酒 。
( 1 ) 小功率电源

有差异 , 如带电粒子浓度将随温度而异 , 于是有类 似珀尔帖效应出现 ; ( 2) 温度梯度引起温差电动 势 , 它将对电流作功 。 可以看出 , 珀尔帖效应就是塞贝克效应的逆 过程 , 后面所提到的温差发电利用的就是塞贝克 效应 , 而温差致冷利用的是珀尔帖效应 。 2 . 温差电效应的应用 温差发电有其得天独厚的优点 :它是利用热电 材料将热能直接转化为电能 , 是一种全固态能量转 化方式 , 因而在发电的过程中无噪音 , 无磨损 , 无介 质泄露且体积小 , 重量轻 , 移动方便 , 使用寿命长 , 稳定 , 环保等。 目前 , 温差电技术在航天 、 军事领域 已经得到了广泛的应用 , 在日常生活中的应用也在 逐步扩大 , 这其中以美国和俄罗斯在军事 、 航天方 面处于领先地位 , 民用上以日本为前沿 , 而欧盟则 侧重于小功率电源的研制。 2 . 1 航空航天领域应用 放射性同位素温差发电器是目前唯一适合于 外层空间探测的小型航天器电源系统 。 前苏联和 美国是研制和使用同位素温差发电器最多的国 家 , 自 1961 年以来 , 仅美国在太空飞行中使用的 同位素温差发电器就达 40 个 , 这些同位素温差发 电器的输出功率为 2 . 7 ~ 300 W , 最长的工作时间 已超过 30 年 。 1977 年 8 月 20 日发射的旅行者 2 号 行星际飞行器 , 使用238 Pu 同位素温差发电器 , 已 成功飞越了木星 、 土星 、 天王星和海王星 , 现已飞 出太阳系 , 温差发电器仍在正常工作 。 现在主要依靠放射性同位素发电系统来解决 探索器的能源支持问题 , 这是因为在远离太阳的 地方 , 不能借助太阳能来支持探测器的飞行 , 而如 果用电池 , 既增加了飞行器的负担 , 同时维持的时 间又不能满足要求 , 甚至稳定性也达不到设计的 需要 。 利用放射性同位素温差发电系统能够解决 上述问题 。 利用温差电技术 , 一枚硬币大小的放射 性同位素热能源能够提供长达二十年以上的不间 断供电 。 2 . 2 军事领域的应用 在军事方面 , 温差电技术也得到了广泛深入的 应用 ,由于温差发电机具有体积小 , 无震动 , 无声音
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德国科学家最近发明了一种利用人体温差产 生电能的新型电池 , 可以给便携式的微型电子仪 器提供长久的 “动力” 因而免去了充电或更换电 , 池的麻烦 。 据德国 《科学画报》 杂志报道 , 德国慕尼黑的 一家芯片研发企业研究出的这种新型电池 , 主要 由一个可感应温差的硅芯片构成 。 当这种特殊的 硅芯片正面 “感受” 到的温度较之背面温度具有 一定温差时 , 其内部电子就会产生定向流动 , 从而 产生 “微量但却足够用的电流” 负责研发这种电 。 池的科学家温纳 ? 韦伯介绍说 “只要在人体皮肤 : 与衣服等之间有 5 ℃的温差 , 就可以利用这种电 池为一块普通的腕表提供足够的能量 。 ”科学家 介绍 , 这种新型电池不仅可用于手表 、 手机 、 掌上 电脑等 , 还可为一些医学电子仪器 , 如腕戴式血 压、 脉搏等测量仪器提供能量 。 ( 2 ) 温差制冷 目前温差制冷技术已经应用于对温差要求不 是很高的情况 , 比如便携式制冷箱 。 随着社会的发 展 , 人们对冰箱和空调舒适度和方便的要求越来 越高 , 对环境的保护也给予了特别的关注 , 温差电 技术正符合这些要求 , 因为这种技术不需要制冷 剂 , 而且没有噪音 , 能根本上革新传统的利用制冷 剂和压缩机来达到致冷的技术 。

第 19 卷第 4 期 2006 年 8 月

高等函授学报 ( 自然科学版) Vol . 19 No . 4      Journal of Higher Correspondence Education ( Nat ural Sciences)      August 2006

在电子工业中 , 利用温差电技术的半导体致 冷器作为低温稳定器 , 可用来提高电子元件的性 能 , 特别是在超大规模集成电路广泛应用的今天 , 可以使电路元件在适宜的温度下工作而又不增加 元件的体积 。 半导体致冷器在小型空调中作冷源 , 做成小型手提冰箱 , 为长途车司机和野外作业人 员提供方便 , 它还可以做成去湿机 , 快速冷饮机和 高温作业人员用的降温头带等 。 随着其致冷性能不断提高 , 成本逐渐下降 , 半 导体致冷器必将得到更广泛的应用 。 ( 3) 余热废热发电 随着世界工业化进程的加快 , 钢铁厂 , 水泥 厂 , 造纸厂 , 石油冶炼厂 , 纺织厂等越来越多 。 在生 产过程中 , 余热和废水排放量也直线上升 , 利用它 们产生的余热来发电可以产生很高的经济效益 。 这样既实现了能源的有效利用又不需要什么成 本 , 可以说是一本万利 。 同样的 , 在汽车的发动机 和排气管上面安装温差发电系统 , 把热能转换为 电能并用于推动汽车 , 可以减少燃油消耗 , 在一定 程度上达到节约能源的作用 。 美国 Cardiff 大学的 Rowe 教授通过实验发 现 , 利用洗澡后浴缸中剩余水的余热产生电 , 可以 使一台彩色电视机连续工作一小时 。 因此 , 只要我 们把身边的废热余热利用起来就可以节省能源 , 利国利民 。 3 . 温差电发展所面临的问题及其前景展望 虽然温差电技术有显著的优越性 , 但是它的 发展却受到一些因素的阻碍 。 其中主要因素是 : ( 1 ) 成本比较高 , 目前其主要应用于不以成本为 主要考量的领域 , 如军事 , 航空航天等 , 而在工业 , 商业或是日常生活用途上还有很长的路要走 ; ( 2) 热能和电能的转换效率很低 , 目前普遍只有 5 % 左右 。 所以 , 只有找到一种既成本低廉 , 而且转换 率又能够得到很大提高的新型材料 , 应用才能得 到全面的推广 。 目前 , 我国已经成为世界上温差电产品生产 规模最大的国家之一 , 产品的技术性能也接近国 际先进水平 。 以电子致冷饮水机为代表的温差电 致冷产品广泛进入了普通家庭 , 可以相信 , 温差电 技术必将得到更加广泛的应用 。 我国南海海域辽阔 , 水深大于 800 米的海域

约 140 ~ 150 万平方公里 , 位于北回归线以南 , 太 阳辐射强烈 , 是典型的热带海洋 , 表层水温均在 25 ℃以上 。 据初步计算 , 南海温差能资源理论蕴 藏量约为 ( 1 . 19 ~ 1 . 33) ×1019 KJ , 技术上可开发 利用的能量 ( 热效率取 7 %) 约为 ( 8 . 33 ~ 9 . 31) × 1017 KJ , 实际可供利用的资源潜力 ( 工作时间取
50 % , 利用资源 10 %) 装机容量达 13 . 21 ~ 14 . 76

亿千瓦 。 我国台湾岛以东海域表层水温全年在 24 ~ 28 ℃, 500 ~ 800 米以下的深层水温在 5 ℃以 下 , 全年水温差 20 ~ 24 ℃. 据台湾电力专家估计 , 该区域温差能资源蕴藏量约为 2 . 16 ×1014 KJ . 我 国温差能资源蕴藏量大 , 在各类海洋能资源中占 居首位 , 且这些资源主要分布的海域具有日照强 烈 , 温差大且稳定 , 全年可开发利用的特点 。 另外 , 由于地表和地下之间的温差较大 , 所以 也蕴藏了丰富的能量 。 美国密西西比州立大学的
Stevens 教授进行了利用地表与地下的温差发电 的有关实验和研究 。 相信在科学家们的进一步研 究中 , 温差电技术一定能够更加成熟 , 为我们未来 的生活带来诸多便利 。 目前 , 人类正面临着能源紧缺和环境恶化的 挑战 , 这为温差电技术的发展提供了千载难逢的

机遇 。 随着我国经济的高速发展 , 对能源的需求越来 越大 , 同时 , 世界局势的瞬息万变 , 这对于像我国这 样一个对能源进口占很大比重的国家来说 , 具有很 大的安全隐患。 另一方面 , 可持续发展对环境的保 护提出了更高的要求 。 所以 , 我们应该从实际需求 出发 , 加大投入 , 大力发展温差发电 , 走出一条拥有 自主知识产权和特色的能源之路。
参考文献
[ 1 ] 赵凯华 , 陈熙谋 . 电磁学 [ M ] . 北京 : 高等教育出版

社 ,1985 :310 ~ 318.
[ 2 ] 薛增泉 . 热力学与统计物理 [ M ] . 北京 : 北京大学出

版社 ,1995 : 91 ~ 103.
[ 3 ] S. B. Riffat ,Xiaoli Ma. Thermoelect ric :a review of p resent and potential applicatio ns. Applied Thermal Engineering 23 ( 2003) 913 ~ 915. [ 4 ] 栾伟玲 ,涂善东 . 温差电技术的研究进展 [J ] . 科学通

报 ,2004 , (11) :1011 ~ 1019.

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