摘要：温差发电器件是一种利用半导体材料的物理性能，实现热能与电能的直接转换全固态能量转换装置。温差发电器件由于没有运动部件，具有无噪音、无磨损、寿命长、稳定性高等优点。
关键词：温差发电 半导体 热能 电能
一、装置背景
温差发电作为战略性的可再生能源技术，是一种新兴的清洁能源。发展前景良好，但由于技术及资金的问题，对于温差发电的研究也没有取得多么显著的进展。但发展温差发电没有什么不可逾越的障碍，温差发电以其独特的优势正越来越受到社会的关注。
温差发电是一种新型的发电方式，具有清洁、无噪音污染和有效物质排放、高效、寿命长、坚固、可靠性高，稳定等一系列优点，符合绿色环保要求，对国民经济的可持续发展具有战略意义。
汽车尾气热量发电对经济和汽车产业以及环境保护的拉动作用非常显著。温差发电产业链大多为制造业，温差发电系统集成运行控制成为新兴产业，因此温差发电不仅是提供一种清洁能源供电方案，更重要的是可以拉动经济和多项传统的新兴产业的发展。
二、结构概述
产品温差发电装置的结构取决于热源特征、散热方式、温度分布情况以及所用的热电片性能和排列方式。基于平板式结构，本研究所开发的温差发电装置主要包括：热端吸热气箱、冷端散热系统、热电片组以及紧固结构；如图1所示，装置由两个吸热气箱和三个冷却水箱相互层叠而成，吸热气箱和冷却水箱间夹装热电片组。将该装置与一辆实验皮卡车进行了集成，安装于三元催化器和消声器之间。
实验过程中，通过记录温差发电装置的输出电压和电流，计算其输出功率。图2给出了温差发电装置典型的输出功率曲线。图中，Va表示汽车的运行速度，单位是米/秒，Vr表示当前时间段内汽车的平均运行速度，单位是米/秒，n表示发动机的转速，单位是转/分钟。据图可知，温差发电装置的输出功率随时间而变化，这是由于汽车的路况运行状态在发生变化。
进一步对各参数进行分析，发现对输出功率影响最大的是发动机的转速。因为发动机的转速增大时，汽车的燃油消耗增多，相应的尾气流量和温度都会有所提升，温差发电装置的吸热量增多，输出功率相应增大。总之，本研究开发的装置可回收汽车尾气的能量发电，以供汽车使用，从而可达到节约燃油的目的
三、原理概述
3.1、塞贝克效应
塞贝克（Seebeck）效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。利用塞贝克效应，可制成温差电偶（thermocouple，即热电偶）来测量温度。在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。相应的电动势称为热电势，其方向取决于温度梯度的方向。一般规定热电势方向为：在热端电流由负流向正。塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于两种金属中的电子溢出功不同及两种金属中电子浓度不同造成的。半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。
3.2、珀尔贴效应 - TEC原理
珀尔贴效应，又称为热电第二效应，是指当电流通过A 、B两种金属组成的接触点时，除了因为电流流经电路而产生的焦耳热外，还会在接触点产生吸热或放热的效应，它是塞贝克效应的逆反应。即两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。
TEC基本工作过程：当一块N型半导体和一块P型半导体结成电偶时，只要在这个电偶回路中接入一个直流电源，电偶上就会流过电流，发生能量转移，在一个接点上放热（或吸热），在另一个接点上相反地吸热（或放热）。 对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。
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在TEC制冷片中，半导体通过金属导流片连接构成回路，当电流由N通过P时，电场使N中的电子和P中的空穴反向流动，他们产生的能量来自晶格的热能，于是在导流片上吸热，而在另一端放热，产生温差。 帕尔帖模块也称作热泵（heat pumps），它既可以用于致热，也可以致冷。半导体致冷片就是一个热传递工具，只要热端（被冷却物体）的温度高于某温度，半导体制冷器便开始发挥作用，使得冷热两端的温度逐渐均衡，从而起到致冷作用。
3.3、汤姆逊效应
在某一均匀导体中,如存在温度梯度dT/dx,且流过电流I时,将出现可逆的热效应。△QT(热...当电流方向与温度梯度方向（温度增加方向）相反，而这段导体吸热时，σ取正值，σ称为汤姆逊系数（亦可用μ表示汤姆逊系数）。
汤姆逊效应的物理学解释是：金属中温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大。像气体一样，当温度不均匀时会产生热扩散，因此自由电子从温度高端向温度低端扩散，在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，在金属棒两端便引成一个电势差。这种自由电子的扩散作用一直进行到电场力对电子的作用与电子的热扩散平衡为止。 式中 eA（T，T0）：导体A两端温度为T、T0时形成的温差电势； T，T0 : 分别为金属棒高、底端的绝对温度； σA ：汤姆逊系数，其数值非常小，而且与金属材料及其温度有关，譬如铜在0℃时汤姆逊系数只有2μV/℃，铋的系数比较大，常温下也只有10 μV/℃左右。
四、技术优势
温差发电技术有以下几大发展优势：
节能效果明显。从汽车废热利用中估算，尾气和散热方面的能耗量占燃油总能量的70％左右，国外主要生产厂家生产的热电此材料转化效率大约为7％，可以从中回收的能量大约占整个燃油能量的5％，将这一部分能量作用于汽车行驶，可使汽车的燃油经济性提升20％。Nissan公司研制出了温差发电器，当汽车以60km/h的速度爬坡时，发电器可转换废气中11％的热量，如果在未来热电材料能有所突破，将会是未来混合动力汽车供电系统的最佳选择。
（1）相对成本低。由于热电材料的实际应用技术还在研究阶段，价位相对较高，单个热电模块需要100到250元。如果以后这种温差发电器进入全面产业化阶段，成本会进一步降低。这对于现有的各种新能源动力汽车动辄数百万的成本或者是太阳能热发电及工业余热发电中的汽轮机等运动部件的成本来说是微不足道的。
（2）体积小、结构简单。热电模块每片大约2-4mm厚，面积为16-30cm因此温差发电器所占据的体积也是有限的。整个装置只需将这些模块串、并联在一起并用夹紧机构固定在排气管或集热板外侧即可，安装方便，这些优势都有助于低品位能量利用的普及推广。
参考文献：
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论文作者:杨佳琴 夏珊,李姝颖,杨刚
论文发表刊物:《科技中国》2017年7期
论文发表时间:2017/10/26
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