溫差發電的原理

熱電轉換材料具有3個基本效應, 即Peltier效應、Seebeck效應和Thomson效應, 這3個效應奠定了熱力學中熱電理論的基礎, 也為熱電轉換材料的實際應用展示了廣闊的前景. 溫差電是利用材料的Seebeck效應, 通過載流子(電子和空穴)進行能量的輸運. 該效應于1821年由德國人Seebeck發現: 在兩種不同金屬(銻與銅)構成的回路中, 如果兩個接頭處存在溫度差, 其周圍就會出現磁場. 通過進一步的實驗, Seebeck發現回路中存在電動勢. Seebeck效應是制作測溫熱電偶、溫差發電和溫差電傳感器的基礎.
溫差發電的原理如圖1所示: 將兩種不同類型的熱電轉換材料N和P的一端結合并將其置于高溫狀態, 另一端開路并給以低溫. 由于高溫端的熱激發作用較強, 此端的空穴和電子濃度比低溫端高, 在這種載流子濃度梯度的驅動下, 空穴和電子向低溫端擴散, 從而在低溫開路端形成電勢差. 將許多對P型和N型熱電轉換材料連接起來組成模塊, 就可得到足夠高的電壓, 形成一個溫差發電機. 這種發電機在有微小溫差存在的條件下就能將熱能直接轉化為電能, 且轉換過程中不需要機械運動部件, 也無氣態或液態介質存在, 因此適應范圍廣、體積小、重量輕、安全可靠、對環境無任何污染, 是十分理想的電源. 溫差發電的靈活、綠色、安靜和微小體積的特性, 使其可在許多領域發揮重要的作用.

圖1 利用熱電模塊進行溫差發電的原理