温差发电器
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中文名温差发电器性 质一种静态的固体器件热 点成为空间电源研发特 点工作时无噪声,而且无须维护原 理半导体的温差电动势较大
概述
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由于半导体的温差电动势较大因此大都用它来制作温差发电器,它是一种新型的电子器件,无噪音、无污染、能量可高效转换的特点,预示着一场制冷技术革命的开始,温差发电,因为在我们的周围有着太多的“余热”可以利用,废汽热、废水热、废火热、太阳热等等;在能源日益紧张的今天,我们温差发电的愿望更加强烈。它的出现使任意相态的物质、任意局部环境的温度的智能化、数字化、程序化控制,成为可能。想冷,即冷;想热,即热。温度的控制,对于我们随心所欲。
发展历史
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1、1821年德国科学家塞贝克(T.J. Seebeck)发现了塞贝克效应,迄今已经快200年了。第二次世界大战末发现半导体材料后,掀起了探索温差电材料和器件的热潮,促进了温差电理论和技术的发展。二十世纪五十年代末六十年代初,空间技术飞速发展,急需一种长寿命、抗辐照的电源。
2、1960年代初就有一批放射性同位素温差发电器(Radioisotope Thermoelectric Generator,英文缩写为 RTG)成功地应用于空间、地面和海洋。1963年美国将一个输出电功率2.7W的同位素温差发电器Snap3用在军用导航卫星上。1969年到1972年美国人将5个Snap27同位素温差发电器[1] 成功地放在月面上作为月面科学仪器供电电源。
3、常规的温差发电器的热电转换效率还不到10%。与其它化学和物理电源电源相比,温差发电器的效率确实还较低。但是,温差发电器具有其它电源尚不具备的优点,如寿命很长,应用环境和使用热源不受限制,特别是它可以利用所谓低级热发电-如工业废热、垃圾燃烧热、汽车排气管的余热以及太阳热、地热、海洋热能等,一直吸引着人们的青睐。1990年起,出于环境保护和经济可持续发展的需要,许多国家的政府和公司投入资金用于开发温差电技术,在全球范围内又一次掀起了研发这种绿色电源的热浪。
4、目前RTG是月球表面和深太空航天器的首选电源。RTG也可以用作海上浮标、声纳的电源,或极地、边界的军用隐蔽电源、预警系统电源。天然气燃料温差发电器已经在世界许多国家的输油、输气管线、通讯网络上获得了应用。
测试系统
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1、温差发电器热电性能测试系统,涉及应用电子技术及热工技术领域。其特征在于它含有紧贴在温差发电器的热面,为温差发电器的热面加热的电加热热源单元;紧贴在温差发电器的冷面、为温差发电器的冷面降温的循环冷却水回路热阱单元;采集温差发电器热面和冷面温度,温差发电器输出的电流和电压,循环冷却水回路热阱单元的流量、液温,将上述数据进行处理和分析,输出控制信号到电加热热源单元的数据采集和数据处理单元。
2、本系统测量的是整个温差发电器的热电性能,测得的数据直接反映了温差发电器整体性能,还具有结构简单,适应性强等特征。
3、温差发电器热电性能测试系统,其特征在于,它含有: 电加热热源单元:紧贴在温差发电器的热端面,为温差发电器的热端面加热; 循环冷却水回路热阱单元:紧贴在温差发电器的冷端面、为温差发电器的冷端面降温; 数据采集和数据处理单元:采集温差发电器热端面和冷端面温度,温差发电器输出的电流和电压,循环冷却水回路热阱单元的流量、液温,将上述数据进行处理和分析,并输出控制信号到所述电加热热源单元。
主要分类
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2、放射性同位素温差发电器(RTG)是将放射性同位素(如Pu-238, Sr-90,Po-210等)的衰变热能直接转换成电能的温差发电器。
3、核反应堆温差发电器是将原子能反应堆中燃料裂变产生的热能直接转换成电能的温差发电器。
4、烃燃料温差发电器,燃烧气体烃燃料或液体烃燃料产生的热能直接转换成电能的温差发电器。
5、低级热温差发电器,将各种形式的低温热能(包括余热、废热)直接转换成电能的温差发电器。
6、按工作温度来分类,温差发电器可分为高温温差发电器、中温差发电器和低温温差发电器三大类。高温温差发电器,其热面工作温度一般在700℃以上,使用的典型温差电材料是硅锗合金(SiGe);中温温差发电器,其热面工作温度一般在400℃~500℃,使用的典型温差电材料是碲化铅(PbTe); 低温温差电器, 其热面工作温度一般在400℃以下,使用的典型温差电材料是碲化铋(Bi2Te3)。
工作原理
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1、温差发电器是利用塞贝克效应,将热能直接转换成电能
的一种发电器件。将一个p型温差电元件和一个n型温差电元件在热端用金属导体电极连接起来,在其冷端分别连接冷端电极,就构成一个温差电单体或单偶。在温差电单体开路端接入电阻为RL的外负载,如果温差电单体的热面输入热流,在温差电单体热端和冷端之间建立了温差,则将会有电流流经电路,负载上将得到电功率I2RL,因而得到了将热能直接转换为电能的发电器。
2、当发电器工作时,为保持热接头和冷接头之间有一定的温度差,应不断地对热接头供热,而从冷接头不断排热。热接头所供给的部分热量被作为珀尔帖热吸收了,另一部分则通过热传导传向冷接头。排出的热量应为冷接头放出的珀尔帖热和从热接头传导来的热量之和。对于上述接头的热平衡,还应加上汤姆逊热和被导体释放的焦耳热。设在系统中所产生的焦耳热I2Ri中有一半传到热端,另一半由冷端放出,热源所消耗的热量是珀尔帖热Ph、由于热传递迁移到冷端的热PT和交还给热源的焦耳热 三部分组成, 即为温差电单体的热电转换效率是有用功率与热源所消耗的热量之比。要想得到优值高的温差电材料,只有提高其塞贝克系数和电导率,降低其热导率。但是塞贝克系数、电导率和热导率都在不同程度上依赖于载流子浓度和迁移率,互相是关联的。