热电转换材料.ppt

* 第二节 热电转换材料 太阳辐射到地球的热可利用适当的材料进行热电转换加以利用. 热电转换材料还广泛应用于温度测量、制冷等方面. 一.　热电效应 热电效应：在用不同导体构成的闭合电路中，若使其结合部位出现温度差，则在此闭合电路中将有热电流流过，或产生热电动势，此现象称热电效应． 热电效应有三种： 塞贝克(Seebeck)效应 帕耳帖(Peltier)效应 汤姆逊(Thomson)效应． （一）塞贝克(Seebeck)效应： * 1821年塞贝克(T．J． Seebeck)发现当两种 不同的金属A、B组成 回路，且两接触点的 温度不同时，在回路 中产生电流，这称为 塞贝克效应． 当两接触点的温差较小 时，回路中的电动势 ?EAB与温差有线性关系： ?EAB =SAB ?T ?T－两接触点的温差， SAB－相对塞贝克系数， SAB = SA - SB SA 、 SB－金属A 、金 属B的绝对塞贝克系数． * 将回路断开，在断开处a 、b间便出现一个电动势差，即?V＝Vb-Va，其极性和量值与回路中的热电动势一致． （二）帕耳帖(Peltier)效应： 1834年帕耳帖(J.C.A. Peltier)发现，当两种不同金属组成回路并有电流(不管是热电流还是外加的电流）在回路中流过时，在两种金属的一个接点处放出热量，而在另一个接点处吸收热量．改变电流的方向，则吸、放热的接点也对调．这种效应称帕耳帖 (Peltier) 效应．它满足下式： QAB = ?AB I QAB－接点处吸收帕耳帖热的 速率； ?AB －金属A和B间相对 帕耳帖系数； I－通过的电流 强度． ?AB = ?A - ?B ?A 、 ?B －分别是金属A和金属B的绝对帕耳帖系数． T1 - ?T T2 + ?T A B 帕耳帖(Peltier)效应 吸热 放热 * （三）汤姆逊(Thomson)效应 1851年汤姆逊根据热力学理论， 证明帕耳帖效应是塞贝克效应 的逆过程．并预测，当具有温 度梯度的一根均匀导体通过电 流时，会产生吸热和放热现象． 这就是汤姆逊(Thomson)效应． 如右图：一根均匀的导体在某 一点O加热至T2温度，两端点 P1 、 P2点温度相同且为T1 （图(a)）．如果这均一的导 体构成回路（图(b)） ，当有 电流通过时，则P1 、 P2点会 出现温度差．设汤姆逊热效应 产生的热吸收率为 qA(对于导 体A)，则 P1 O P2 热流 恒温槽 T1 T1 T2 热的传递 P1 O P2 加热点 单一导体 T1-?T T1+?T T2 a) b) a)均匀导体形成温度差；b)电流通过有温度差的导体产生吸热和放热 　　　　　汤姆逊(Thomson)效应 * ?A－导体A的汤姆逊系数；dT/dx－导体温度梯度；j－电流密度． 若电流方向与热流方向一致则放出热量(电流产生的焦耳热之外)，反之则吸热. 事实上，上述热电效应不仅存在于金属导体中，也存在于半导体中. 金属的热电效应较弱，半导体的热电效应显著． 二. 热电偶材料 热电偶材料: 利用热电转换效应将温度信号转换成电信号, 从而实现温度测量的材 料. 当A、B两种导体构成图5—5所示的回路时，按塞贝克效应当端点T1和T2的温度不同时，回路中产生热电势．根据热电势和温差的对应关系，测出电势即可得出温度. 热电极材料：构成热电偶的导体(或半导体)称为热电极材料． 性能要求：热电势大，热电势随温度呈单调函数变化，熔点高、抗高温氧化性和抗环境介质腐蚀，热电特性稳定，有良好的加工性能及机械强度等． * 热电极材料： 铂铑合金 NiCr10合金 康铜等． 热电偶: 铂铑-铂, NiCr10-康铜, Fe-康铜等. 三．热电转换材料 热电转换材料：用于热电发电、热电制冷等方面的材料． 热电材料与其它能源转换相比成本高，效率低．但在一些特定场合和条件下，使用热电转换材料来获得能源十分必要． 热电转换元件工作原理： * 如下图：p型半导体材料的绝对塞贝克系数Sp为正值、n型半导体材料的绝对塞贝克系数Sn 为负值，A端温度为Tc、B端温度为Th ．回路中通过电流为I，电流由n型半导体流向p型半导体，由于帕耳帖效应在A端电极处吸热，在B端电极处放热. 若保持电流、A端和B端温度不变，则该电热元件由A端连续不断的从对象中吸热，由B端放热，实现热电制冷. A端Tc B端Th * 材料 当前使用和正在开发的热电转换材料（半导体），按使用温度分，主要有三类： (1)低温区(300-400℃)：Bi2Te3、Sb2Te3 、 HgTe、Bi2Se3 、 　　 Sb2Se3、ZnSb及它们的复合体.