溫差發(fā)電器
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溫差發(fā)電器,是一種靜態(tài)的固體器件,沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件,體積小、壽命長,工作時(shí)無噪聲,而且無須維護(hù),成為空間電源研發(fā)的熱點(diǎn),大大刺激了溫差電技術(shù)的發(fā)展。
中文名溫差發(fā)電器性 質(zhì)一種靜態(tài)的固體器件熱 點(diǎn)成為空間電源研發(fā)特 點(diǎn)工作時(shí)無噪聲,而且無須維護(hù)原 理半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢較大
目錄
- 1 概述
- 2 發(fā)展歷史
- 3 測試系統(tǒng)
- 4 主要分類
- 5 工作原理
- 7 制備工藝
- 8 主要應(yīng)用
- ▪ 航天方面
- ▪ 日常方面
- ▪ 軍事方面
- ▪ 環(huán)保方面
- 9 使用維護(hù)
- 10 發(fā)展趨勢
概述
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由于半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢較大因此大都用它來制作溫差發(fā)電器,它是一種新型的電子器件,無噪音、無污染、能量可高效轉(zhuǎn)換的特點(diǎn),預(yù)示著一場制冷技術(shù)革命的開始,溫差發(fā)電,因?yàn)樵谖覀兊闹車兄嗟摹坝酂帷笨梢岳茫瑥U汽熱、廢水熱、廢火熱、太陽熱等等;在能源日益緊張的今天,我們溫差發(fā)電的愿望更加強(qiáng)烈。它的出現(xiàn)使任意相態(tài)的物質(zhì)、任意局部環(huán)境的溫度的智能化、數(shù)字化、程序化控制,成為可能。想冷,即冷;想熱,即熱。溫度的控制,對于我們隨心所欲。
發(fā)展歷史
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1、1821年德國科學(xué)家塞貝克(T.J. Seebeck)發(fā)現(xiàn)了塞貝克效應(yīng),迄今已經(jīng)快200年了。第二次世界大戰(zhàn)末發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料后,掀起了探索溫差電材料和器件的熱潮,促進(jìn)了溫差電理論和技術(shù)的發(fā)展。二十世紀(jì)五十年代末六十年代初,空間技術(shù)飛速發(fā)展,急需一種長壽命、抗輻照的電源。
2、1960年代初就有一批放射性同位素溫差發(fā)電器(Radioisotope Thermoelectric Generator,英文縮寫為 RTG)成功地應(yīng)用于空間、地面和海洋。1963年美國將一個(gè)輸出電功率2.7W的同位素溫差發(fā)電器Snap3用在軍用導(dǎo)航衛(wèi)星上。1969年到1972年美國人將5個(gè)Snap27同位素溫差發(fā)電器[1] 成功地放在月面上作為月面科學(xué)儀器供電電源。
3、常規(guī)的溫差發(fā)電器的熱電轉(zhuǎn)換效率還不到10%。與其它化學(xué)和物理電源電源相比,溫差發(fā)電器的效率確實(shí)還較低。但是,溫差發(fā)電器具有其它電源尚不具備的優(yōu)點(diǎn),如壽命很長,應(yīng)用環(huán)境和使用熱源不受限制,特別是它可以利用所謂低級熱發(fā)電-如工業(yè)廢熱、垃圾燃燒熱、汽車排氣管的余熱以及太陽熱、地?zé)帷⒑Q鬅崮艿龋恢蔽藗兊那嗖A。1990年起,出于環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要,許多國家的政府和公司投入資金用于開發(fā)溫差電技術(shù),在全球范圍內(nèi)又一次掀起了研發(fā)這種綠色電源的熱浪。
4、目前RTG是月球表面和深太空航天器的首選電源。RTG也可以用作海上浮標(biāo)、聲納的電源,或極地、邊界的軍用隱蔽電源、預(yù)警系統(tǒng)電源。天然氣燃料溫差發(fā)電器已經(jīng)在世界許多國家的輸油、輸氣管線、通訊網(wǎng)絡(luò)上獲得了應(yīng)用。
測試系統(tǒng)
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1、溫差發(fā)電器熱電性能測試系統(tǒng),涉及應(yīng)用電子技術(shù)及熱工技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于它含有緊貼在溫差發(fā)電器的熱面,為溫差發(fā)電器的熱面加熱的電加熱熱源單元;緊貼在溫差發(fā)電器的冷面、為溫差發(fā)電器的冷面降溫的循環(huán)冷卻水回路熱阱單元;采集溫差發(fā)電器熱面和冷面溫度,溫差發(fā)電器輸出的電流和電壓,循環(huán)冷卻水回路熱阱單元的流量、液溫,將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,輸出控制信號(hào)到電加熱熱源單元的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理單元。
2、本系統(tǒng)測量的是整個(gè)溫差發(fā)電器的熱電性能,測得的數(shù)據(jù)直接反映了溫差發(fā)電器整體性能,還具有結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)性強(qiáng)等特征。
3、溫差發(fā)電器熱電性能測試系統(tǒng),其特征在于,它含有: 電加熱熱源單元:緊貼在溫差發(fā)電器的熱端面,為溫差發(fā)電器的熱端面加熱; 循環(huán)冷卻水回路熱阱單元:緊貼在溫差發(fā)電器的冷端面、為溫差發(fā)電器的冷端面降溫; 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理單元:采集溫差發(fā)電器熱端面和冷端面溫度,溫差發(fā)電器輸出的電流和電壓,循環(huán)冷卻水回路熱阱單元的流量、液溫,將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,并輸出控制信號(hào)到所述電加熱熱源單元。
主要分類
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1、按使用的熱源分類,溫差發(fā)電器可分為放射性同位素溫差發(fā)電器、核反應(yīng)堆溫差發(fā)電器、烴燃料溫差發(fā)電器、低級熱溫差發(fā)電器等。
2、放射性同位素溫差發(fā)電器(RTG)是將放射性同位素(如Pu-238, Sr-90,Po-210等)的衰變熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的溫差發(fā)電器。
3、核反應(yīng)堆溫差發(fā)電器是將原子能反應(yīng)堆中燃料裂變產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的溫差發(fā)電器。
4、烴燃料溫差發(fā)電器,燃燒氣體烴燃料或液體烴燃料產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的溫差發(fā)電器。
5、低級熱溫差發(fā)電器,將各種形式的低溫?zé)崮?/a>(包括余熱、廢熱)直接轉(zhuǎn)換成電能的溫差發(fā)電器。
6、按工作溫度來分類,溫差發(fā)電器可分為高溫溫差發(fā)電器、中溫差發(fā)電器和低溫溫差發(fā)電器三大類。高溫溫差發(fā)電器,其熱面工作溫度一般在700℃以上,使用的典型溫差電材料是硅鍺合金(SiGe);中溫溫差發(fā)電器,其熱面工作溫度一般在400℃~500℃,使用的典型溫差電材料是碲化鉛(PbTe); 低溫溫差電器, 其熱面工作溫度一般在400℃以下,使用的典型溫差電材料是碲化鉍(Bi2Te3)。
工作原理
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1、溫差發(fā)電器是利用塞貝克效應(yīng),將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能
的一種發(fā)電器件。將一個(gè)p型溫差電元件和一個(gè)n型溫差電元件在熱端用金屬導(dǎo)體電極連接起來,在其冷端分別連接冷端電極,就構(gòu)成一個(gè)溫差電單體或單偶。在溫差電單體開路端接入電阻為RL的外負(fù)載,如果溫差電單體的熱面輸入熱流,在溫差電單體熱端和冷端之間建立了溫差,則將會(huì)有電流流經(jīng)電路,負(fù)載上將得到電功率I2RL,因而得到了將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電器。
2、當(dāng)發(fā)電器工作時(shí),為保持熱接頭和冷接頭之間有一定的溫度差,應(yīng)不斷地對熱接頭供熱,而從冷接頭不斷排熱。熱接頭所供給的部分熱量被作為珀?duì)柼?/a>熱吸收了,另一部分則通過熱傳導(dǎo)傳向冷接頭。排出的熱量應(yīng)為冷接頭放出的珀?duì)柼麩岷蛷臒峤宇^傳導(dǎo)來的熱量之和。對于上述接頭的熱平衡,還應(yīng)加上湯姆遜熱和被導(dǎo)體釋放的焦耳熱。設(shè)在系統(tǒng)中所產(chǎn)生的焦耳熱I2Ri中有一半傳到熱端,另一半由冷端放出,熱源所消耗的熱量是珀?duì)柼麩酨h、由于熱傳遞遷移到冷端的熱PT和交還給熱源的焦耳熱 三部分組成, 即為溫差電單體的熱電轉(zhuǎn)換效率是有用功率與熱源所消耗的熱量之比。要想得到優(yōu)值高的溫差電材料,只有提高其塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率,降低其熱導(dǎo)率。但是塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率都在不同程度上依賴于載流子濃度和遷移率,互相是關(guān)聯(lián)的。