温差发电的原理

热电转换材料具有3个基本效应, 即Peltier效应、Seebeck效应和Thomson效应, 这3个效应奠定了热力学中热电理论的基础, 也为热电转换材料的实际应用展示了广阔的前景. 温差电是利用材料的Seebeck效应, 通过载流子(电子和空穴)进行能量的输运. 该效应于1821年由德国人Seebeck发现: 在两种不同金属(锑与铜)构成的回路中, 如果两个接头处存在温度差, 其周围就会出现磁场. 通过进一步的实验, Seebeck发现回路中存在电动势. Seebeck效应是制作测温热电偶、温差发电和温差电传感器的基础.
温差发电的原理如图1所示: 将两种不同类型的热电转换材料N和P的一端结合并将其置于高温状态, 另一端开路并给以低温. 由于高温端的热激发作用较强, 此端的空穴和电子浓度比低温端高, 在这种载流子浓度梯度的驱动下, 空穴和电子向低温端扩散, 从而在低温开路端形成电势差. 将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块, 就可得到足够高的电压, 形成一个温差发电机. 这种发电机在有微小温差存在的条件下就能将热能直接转化为电能, 且转换过程中不需要机械运动部件, 也无气态或液态介质存在, 因此适应范围广、体积小、重量轻、安全可靠、对环境无任何污染, 是十分理想的电源. 温差发电的灵活、绿色、安静和微小体积的特性, 使其可在许多领域发挥重要的作用.

图1 利用热电模块进行温差发电的原理