汽车发动机余热温差发电
温差电现象及其应用温差发电机
温差电现象及其应用——温差发电机2010级化学物理系龚科PB10206089 摘要:本文分为两部分：第一部分介绍温差电现象的产生机理，包含汤姆孙效应、珀尔帖效应和塞贝克效应的介绍.第二部分介绍温差电现象的一种利用，即温差发电机的应用现状及前景.关键词：温差电现象汤姆孙效应珀尔帖效应塞贝克效应温差电发电机正文：一、温差电现象产生机理由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，这就是温差电效应.所产生的电动势称为温差电动势，在一定范围内，温差电动势在数值上正比于两接点处的温度差，即ε=a(T1-T2)，（1）其中，a为塞贝克系数，在数值上等于单位温度差所引起的电动势.金属的温差电效应较小，a为0~80μV·K-1，用于测量温度，半导体温差电效应较大，a为50~103μV·K-1，可用来制造温差发电机.温差电效应由德国物理学家塞贝克于1821年首先发现；1834年，法国实验科学家珀尔帖发现了它的反效应：两种不同金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，即珀尔帖效应.1837年，俄国物理学家楞次又发现，电流的方向决定了吸收热量还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流大小成正比.温差电效应根据具体作用原理及表现形式，有汤姆逊效应、帕尔贴效应、赛贝克效应三种.1、汤姆孙效应汤姆孙效应即导体两端有温差时产生电动势的现象.其机理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，在温度低端堆积起来，从而在导体内形成电场在金属棒两端便形成一个电势差.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.2、珀尔帖效应珀尔帖效应就是电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量.由珀尔帖效应产生的热流量称作珀尔帖热.珀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.1837年，俄国物理学家楞次（Lenz，1804～1865）发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比，比例系数称为“帕尔帖系数”.Q=л·I=a·Tc·I，（2）其中л=a·Tc 式中：Q——放热或吸热功率π——比例系数，称为珀尔帖系数I——工作电流a——温差电动势率Tc——冷接点温度.珀尔帖效应最主要的应用就是半导体制冷.半导体制冷片具有以下优势：（1）可以把温度降至室温以下；（2）精确温控（使用闭环温控电路，精度可达±0.1℃）；（3）高可靠性（致冷组件为固体器件，无运动部件，寿命超过20万小时，失效率低）；（4）没有工作噪音.此应用不作为本文的主要内容，故不作详细介绍.3、塞贝克效应在两种金属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.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，该电势差取决于金属的电子溢出功和有效电子密度这两个基本因素.产生塞贝克效应的机理，对于半导体和金属是不相同的.（1）半导体的塞贝克效应产生塞贝克效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果.例如p型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷（热端有负电荷，冷端有正电荷），同时在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势.自然，p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端（塞贝克系数为正），相反，n型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端（塞贝克系数为负），因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型. 可见，在有温度差的半导体中，即存在电场，因此这时半导体的能带是倾斜的，并且其中的Fermi 能级也是倾斜的；两端Fermi能级的差就等于温差电动势.实际上，影响塞贝克效应的因素还有两个：第一个因素是载流子的能量和速度.因为热端和冷端的载流子能量不同，这实际上就反映了半导体Fermi能级在两端存在差异，因此这种作用也会对温差电动势造成影响——增强塞贝克效应.第二个因素是声子.因为热端的声子数多于冷端，则声子也将要从高温端向低温端扩散，并在扩散过程中可与载流子碰撞、把能量传递给载流子，从而加速了载流子的运动——声子牵引，这种作用会增加载流子在冷端的积累、增强塞贝克效应.半导体的塞贝克效应较显著.一般，半导体的塞贝克系数为数百mV/K，这要比金属的高得多.（2）金属的塞贝克效应因为金属的载流子浓度和Fermi能级的位置基本上都不随温度而变化，所以金属的塞贝克效应必然很小，一般塞贝克系数为0～10mV/K.虽然金属的塞贝克效应很小，但是在一定条件下还是可观的；实际上，利用金属塞贝克效应来检测高温的金属热电偶就是一种常用的元件.产生金属塞贝克效应的机理较为复杂，可从两个方面来分析：①电子从热端向冷端的扩散.然而这里的扩散不是浓度梯度（因为金属中的电子浓度与温度无关）所引起的，而是热端的电子具有更高的能量和速度所造成的.显然，如果这种作用是主要的，则这样产生的塞贝克效应的系数应该为负.②电子自由程的影响.因为金属中虽然存在许多自由电子，但对导电有贡献的却主要是Fermi能级附近2kT范围内的所谓传导电子.而这些电子的平均自由程与遭受散射（声子散射、杂质和缺陷散射）的状况和能态密度随能量的变化情况有关.如果热端电子的平均自由程是随着电子能量的增加而增大的话，那么热端的电子将由于一方面具有较大的能量，另一方面又具有较大的平均自由程，则热端电子向冷端的输运则是主要的过程，从而将产生塞贝克系数为负的塞贝克效应；金属Al、Mg、Pd、Pt等即如此.相反，如果热端电子的平均自由程是随着电子能量的增加而减小的话，那么热端的电子虽然具有较大的能量，但是它们的平均自由程却很小，因此电子的输运将主要是从冷端向热端的输运，从而将产生塞贝克系数为正的塞贝克效应；金属Cu、Au、Li等即如此.塞贝克效应计算公式：V=（S B-S A)(T2-T1) （3）S A与S B分别为两种材料的塞贝克系数，在一定温度范围内，可以认为材料的塞贝克系数不变.塞贝克后来还对一些金属材料做出了测量，并对35种金属排成一个序列（即Bi-Ni-Co-Pd-U-Cu-Mn-Ti-Hg-Pb-Sn-Cr-Mo-Rb-Ir-Au-Ag-Zn-W-Cd-Fe-As-Sb-Te-……），并指出，当序列中的任意两种金属构成闭合回路时，电流将从排序较前的金属经热接头流向排序较后的金属.塞贝克效应应用主要是测温和发电.温差电发电机将在下文详细介绍.4、三种效应的关系塞贝克效应可以认为是汤姆孙效应和珀尔帖效应相结合所产生的现象.汤姆孙于1856年利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和珀尔帖效应进行了全面分析，将本来互不相干的塞贝克系数和珀尔帖系数之间建立了联系，在绝对零度附近，两者存在简单倍数关系.并由此提出了汤姆孙效应.二、温差发电机的应用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，因而得到了热能直接转换为电能的发电器.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、由于热传递迁移到冷端的热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.1、材料制备温差电材料原则上可用通常的单晶体生长工艺来制备.但单晶体工艺需要精密的设备，操作复杂，成本较高.在实践中温差电材料往往采用多晶或定向多晶材料.通常，制备温差电材料的方法是粉末冶金法以及区域熔炼法.用粉末冶金法制备的温差电材料往往具有较低的热导率、较高的机械强度，但是却降低了电导率.相对而言，区域熔炼法可制备电导率较高的温差电材料，但同时也提高了材料的热导率.粉末冶金工艺，常规的有冷压法和热压法，近年来又发展了机械合金法（MA）、粉碎混合烧结（PIES）法、挤压法和放电等离子烧结法（SPS法）.通常，PbTe及SiGe合金用粉末冶金工艺制备，Bi2Te3及其合金用区域熔炼法，也可用热压工艺或挤压工艺制备.下面仅介绍粉末冶金法和区融熔炼法制备温差电材料的工艺.2、主要分类（1）按使用的热源分类，温差发电器可分为放射性同位素温差发电器、核反应堆温差发电器、烃燃料温差发电器、低级热温差发电器等.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.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.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.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.（2）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）.3、应用范围（1）温差发电器在如今的应用面较窄，主要应用在航天方面.美国自1961年起在二十多项空间任务中使用同位素温差发电器做电源.这些同位素温差发电器的输出电功率从2.7W到300W，质量从2kg到34kg，最高效率已达6.7%，最高质量比功率已达5.2W/kg，设计寿命为5年.例如著名的阿波罗登月计划、飞向外层行星的旅游者、海盗号火星着陆器、伽利略飞船等都使用了同位素温差发电器.1997年10月，美国成功地发射了探测土星的卡西尼行星际飞船，有3个同位素温差发电器作电源.2006年1月，发射了探测冥王星的新视野号飞船，用1个RTG作电源.目前，这些同位素温差发电器的使用寿命都超过19年，有的已经工作30多年.日常方面（2）同位素温差发电器在地面和海洋开发中应用也日益增多.现已使用的同位素温差发电器功率范围在几毫瓦到数百瓦、上千瓦.主要用于灯塔、航标、海底声纳、海底微波中继站、自动气象站和地震测试站电源.军事方面（3）美军研制了前沿阵地使用的机动性高、无声、质量轻、能无人维护长期运行的液体燃料温差发电器，供夜视装置、雷达、导航设备、电台和指挥系统使用.这种发电器可使用柴油、汽油等多种液体燃料，功率从几十瓦到一千瓦，可便携或可作车载辅助电源.加拿大环球温差电公司生产的燃气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.环保方面（4）在低级热利用方面，温差发电器也很有前途.低级热，包括工业废热、垃圾燃烧热、汽车排气管的余热、太阳热、地热、海洋热能等，热源的温度范围宽广.采用温差发电技术大规模利用低级热，可以开发出结构简单、维护少，而且是无公害的干净能源.很多专家认为，温差发电器利用这些热能，可直接产生低压大电流，如用于电解水制氢，是最好的低峰储能方式之一.4、应用前景长久以来，因为受到生产成本和转换效率的限制，温差电技术的应用一直局限于高科技和军事、航天领域. 最近，由于化石能源数量的日益减少和化石能源燃烧所引起的环境恶化问题的逼近，人们意识到利用低品位和废热进行发电对解决环境和能源问题的重要性. 另外，可供使用的热源的广泛性和廉价性大大增强了温差发电方式的商业竞争性. 我们知道，发电成本主要由运行成本和设备成本组成. 运行成本取决于转换效率和原料，设备成本决定于产生额定输出电力的装置. 虽然热电转换模块的成本很高，但由于利用低品位和废热发电的原料费用极少，几近为零，运行成本很低，因此发电总费用降低，使得温差发电可与现存发电方式进行商业竞争. 日本近几年开展了一系列以“固体废物燃烧能源回收研究计划”为题的政府计划，研究用于固体废物焚烧炉的废热发电技术，将透平发电机和温差发电机结合起来，实现不同规模垃圾焚烧热的最大利用，使垃圾真正成为可供利用的资源. 继日本之后， 2003年11月美国能源部宣布资助太平洋西北国家实验室、密西根技术大学、匹兹堡PPG 工艺有限公司等单位，重点支持他们在高性能热电转换材料和应用技术方面的开发，其主要应用对象是工业生产中的尾气热和其他构件中的废热和余热利用.参考书目：胡友秋、程福臻、叶邦角.2008.电磁学与电动力学.北京.科学出版社.百度百科..其他网上资料不一一详述.。
温差发电技术及其一些应用
温差发电技术及其一些应用来源：能源技术2009-5-121 温差发电的原理温差发电是利用两种连接起来的导电体或者半导体的塞贝克效应（Seebeck Effect），将热能转换成电能的一种技术。
由两种不同类型的半导体构成的回路如图1，当装置的一端处于高温状态另一端置于低温状态下，就会在回路中形成电动势：ε = αs （T1-T2）（1）式中：T1为低温度端温度，K；T2为高温端温度，K；αs为所用热电转换材料的塞贝克系数，V/K。
图1 温差发电原理图（点击图片放大）在应用时多个PN结串联起来，构成一个热电转换模块（见图2），目前已有产品面市。
例如图3为Hi-z公司生产的热电转换模块系列，该模块系列能在-20℃到300℃的温度范围内有效地进行热电转换，输出功率为2.5~19W，负载电压为1.65~3.30V。
图2 热电模块结构示意图（点击图片放大）图3 Hi-z生产的热电转换模块系列（点击图片放大）2 热电材料的研究进展热电转换模块转换的效率很大程度上决定于其组成材料的性能，温差发电的电动势不但取决于材料的塞贝克系数α，而且和高低温端间的温差△T和有关，s从而与材料的导热有关，另外输出电流还与材料的导电率有关，所以常用热电转换材料的优值Z评价材料的热电性能：Z=（αs）2σ/λ （2）式中：αs为塞贝克系数，σ为电导率，λ为热导率。
Z的量纲为K-1，研究分析中优值又常采用优值Z和工作温度T的无量纲ZT 表征。
提高材料的优值是研究开发高效热电转换材料的主要方向，通常有以下几种途径：①选择最佳载流子度；②提高载流子迁移率与晶格热导率的比；③改变晶体取向；④改变颗粒尺度使颗粒间既能导电同时声子散射又比较显著，促使颗粒定向分布；⑤选择最佳的工作温度及材料的禁带宽度。
已有的研究资料表明，在室温下热电转换材料的优值只要能大于3，热电效率就可以达到令人较满意的水平并可以推广应用。
目前热电材料的研究主要集中在以下几个方面。
温差电技术及其应用
温差电致冷器件的进展 及其应用
温差电致冷的特点
温差电致冷组件是利用珀尔帖效应工作的热泵，可用 于致冷,也可以致热。 它是一种没有转动部件的固态器 件，寿命长，工作时无噪声，又不会释放有害物质（如 氟氯烃），能在任意角度安装运行，调节电压或电流时 可以精确控制温度。由于它具有的一系列优点，在国防、 工业、农业、科学研究各领域都得到了广泛的应用。
应用：浮标、声呐，等。
烧油的温差发电器
500W燃油温差发电器
Global公司的燃气温差发电器
8550型温差发电器
5120型温差发电器
应用：输气管线阴极保护、微波中继站等。
俄罗斯BIAPOS公司的 燃气温差发电器
CATEG-HG -90\24
性能参数：
功率：90 W 额定电压：24 V 寿命：10 年
很早就有人开始利用塞贝克效应来测量温度。这就是 我们常用的热电偶。
十九世纪末就有人提出利用温差电效应发电的问题。 1911年德国人阿登克希提出了温差发电和温差电致冷理 论，并得到了温差电器件基本参量的热力学公式。但是， 长期以来由于在技术上没有找到一种有效的可供发电或 致冷的材料，因此，没有付诸现实。
光电子器件应用的致冷组件
红外探测器致冷
光电子器件应用的致冷组件
温差电致冷红外热像
DNA复制仪器
消费类温差电致冷应用产品
冷藏箱
啤酒机 红酒柜
用途：光电子学
激光二极管（光通讯等） CCD摄像机 红外探测器 光电倍增管 其它红外分析仪器 红外定标源 标准黑体
用途：电子器件和工业
Amerigon
Amerigon 收购了德國上市企業——汽車熱控制和電 子元件公司 W.E.T. Automotive Systems AG（威意特汽 車系統股份公司）。
汽车发动机余热利用技术可行性分析
汽车发动机余热利用技术可行性分析一、背景自20世纪70年代世界性的能源危机发生以来，能源问题受到世界各国普遍重视，各经济大国都致力抢占能源市场同时，对节能技术的重视程度也大大加强。
随着人们生活水平的提高，汽车保有量越来越大，汽车能源消耗在总能源消耗中所占的比例越来越高，汽车节能问题越来越受到各国关注。
节能已经成为当今世界汽车工业发展的主题之一。
汽车消耗的能源主要是石油燃料，而我国是一个石油存储量相对欠缺的国家，目前己成为世界第二大石油进口国。
随着我国汽车工业的迅速发展，提高汽车燃料有效利用率和减少环境污染在我国具有更重要的战略意义。
调查研究表明，汽车燃料燃烧所释放的能量只有三分之一左右被有效利用，其余能量都被散失或排放到大气中，造成了能源极大浪费，也带来了不良环境影响。
因此将这些汽车废热有效利用是实现汽车节能，降低汽车能源消耗的一个有效途径。
二、汽车余热利用技术从目前汽车所用发动机的热平衡来看，用于动力输出的功率一般只占燃油燃烧总热量的30%-45%(柴油机)或20%-30%(汽油机)。
以余热形式排出车外的能量占燃烧总能量的55%-70%(柴油机)或80%-70%(汽油机)，主要包括循环冷却水带走的热量和尾气带走的热量。
表为内燃机的热平衡表从表中可以看出汽车发动机冷却介质带走的热量有较大利用空间，如何将其有效利用自然受到人们越来越多的关注，不少人致力于此方面研究。
由于车用发动机特殊的使用场合，汽车余热利用具有鲜明的特点和特殊的要求，可将这些特点简单归结如下：一是汽车余热的品位较低，能量回收较困难；二是余热利用装置要结构简单，体积小，重量轻，效率高；三是废热利用装置要抗震动、抗冲击，适应汽车运行环境；四是要保证汽车使用中的安全；五是要不影响发动机工作特性，避免降低发动机动力性和经济性。
由于汽车余热利用具有上述特点，使得研究的成果虽多，但投入商业化生产的不多，有待进一步的研究开发。
国内外汽车余热利用的技术，从热源来看，有利用发动机冷却水余热和利用排气余热两种，从用途上来看，有制冷空调、发电、采暖、改良燃料、涡轮增压、室内湿度控制和空气净化等方式。
汽车发动机余热温差发电
汽车发动机余热温差发电摘要：随社会现代化的发展，能源紧缺现象日趋严重，车辆消耗的能源与日俱增，为提高汽车燃油效率以优化能源利用和保护环境，提出利用汽车尾气余热进行温差发电。
设想可以将纳米技术应用到此技术中，应该能提高利用率，减少能源浪费。
重点介绍温差发电基本原理及采用半导体热电元件的温差发电，包括对半导体材料的要求。
对热电转换材料性能特点及研究发展做了简单介绍。
关键词：温差发电；热电转换材料；塞贝克效应；应用引言：以现有内燃机指标评估，燃油中60﹪左右的能量没有得到有效利用，绝大部分以余热的形式排放到大气中，这部分废气温度约在900K～1100K[1]，造成经济损失和环境污染。
因此，基于塞贝克效应的理论，将温差发电器安装在汽车内燃机的排气管上，能将内燃机运行时排出的余热直接转化成电能，实现最大限度的挖掘现有能源，带来可观的经济效益。
还可以降低温度使排气压力减少有助于汽车噪声电平下降。
从目前研究成果来看，此技术存在着效率低、成本高、结构不紧密等缺点还未能应用到实际当中。
但由于热电器件的系列优点，如无移动部件、无工作噪声、无污染、无震颤等使得热电材料与器件在此技术上得到了大力研究。
1温差发电1.1温差发电原理温差发电是利用两种连接起来的半导体的塞贝克效应，将热能转化成电能的一种技术。
半导体温差发电的原理如图1，它由P、N 两种类型不同的半导体温差电材料经电导率较高的导流片串联并将导流片固定于陶瓷片上而成。
在器件的两端建立一个温差, 使器件高温端保持T2，低温端保持T1，根据塞贝克效应，这样器件高温侧就会向低温侧传导热能并产生热流，即热能从高温侧流入器件内，通过器件将热能从低温侧排出时，流入器件的一部分热能不放热，并在器件内变成电能，将产生一个电压，若在回路中接入负载电阻，则将有电流流过。
通过连接多个这样的器件串联便可获得较大的电压。
图1 温差发电原理图半导体分为两型：一种为n 型，里面有自由电子；一种叫p 型，里面有空穴，即是缺少一个电子的原子。
发动机排气余热利用
发动机排气余热利用：发动机排气余热的利用方式有多种。
首先，可以将废气余热通过热交换器转化为高温高压蒸汽，推动气轮机工作，带动发电机发电。
这种方式利用了废气的余热，实现了热能到电能的转化。
其次，还可以将废气余热通过温差发电的方式进行利用。
这种方式利用了温差发电的原理，将热能转化为电能。
不过，这种方式的使用率较低，且能量转换效率也较低。
另外，还可以通过回收钢铁、水泥、石化等企业排放的废气和烟气中的中低温废蒸汽、烟气，将这些废气余热转化为电能。
这种方式可以降低投资成本，提高能源回收利用率，有利于节能减排。
除此之外，还可以将发动机废气余热进行回收，通过换热设备将废气的余热转换成其他介质所需的热量，例如获取蒸汽、热水等，以供日常生活需求或采暖等用途。
这种方式可以直接将废气余热转化为有用热量，提高能源的利用率。
温差发电技术及其在汽车发动机排气余热利用中的应用探讨
温差发电技术及其在汽车发动机排气余热利用中的应用探讨摘要：在本文中将围绕温差发电技术及其在汽车发动机排气余热中的应用开展分析，介绍应用半导体热电元件的温差发电技术的主要特点，其中包括了应用半导体材料的要求以及温差发电器的主要结构等。
关键词：温差发电；发动机；排气余热一.热电转换材料和元件1.热电材料热电转换器是温差发电器的基本零部件，其作用是能够将热能直接转化为电能的形式，其转换效率由热电极材料的性能与其器件制造水平共同决定。
上个世纪有科学家提出了半导体热电理论，现用于温差发电的热电材料基本都属于半导体材料。
判断热电材料的好坏的依据为塞贝克系数的平方和电导率的乘积和热导率的比值。
被用于温差发电的材料不仅具备高塞贝克系数和电导率，还应具备较低的热导率，但这是一个难度极大的条件，所以对此种材料的寻找为目前热电学的热门研究方向。
（1）热电新材料应用研究。
例如稀土化合物、硒化物以及富硼固体等化合物的研究。
经过研究表明，控制最佳载流子浓度或者利用固溶掺杂能够有效应对良电导以及热绝缘的问题。
（2）热电材料在结构方面新的研究内容包含梯度材料、复合材料以及量子阱结构等。
而热电材料剃度结构主要有材料载流子浓度梯度化以及层叠热材料结合面的梯度化。
适合的梯度化结构能够让材料适应其内部温度的梯度变化，保证材料能够在温度适宜的范围内最大程度提高其转换效率。
（3）热电材料制备的相关工艺，其最常见的制备方法有熔体生长法以及粉末冶金法和气相生长法。
同时制备方法和制备工艺的精良程度对材料的性能产生较为直接的影响。
粉末冶金方法多用于较大规模的生产，原材料利用效率高，制备的材料性能较好，因此具备广阔的发展前景。
2.热电转换元件模块化一个热电转换期间的转换功率较低，因此应串联或者并联组合制成转换模块，以此实现产品标准化和系列化。
二.温差发电器结构1.结构温差发电器的结构与热源热电、散热形式以及温度的变化有关，还有发电器使用的热电偶性能以及排列。
汽车尾气余热温差发电研究进展
汽车尾气余热温差发电研究进展作者：杨红艳周东一彭浩来源：《山东工业技术》2016年第23期摘要：本文从五种温差发电基本效应理论基础出发分析发电原理，并基于此原理阐述在现如今其在温差发电领域的发展及应用，同时指出为以后对汽车尾气余热温差发电进行系统研究，提供一定的理论基础。
关键词：温差发电；汽车尾气；基本效应DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.23.1240 引言随着汽车产业的发展，汽车消耗能量也逐步地增加，因此对于车辆的能源进行节约显得尤为重要，所以利用发动机的余热发电成为了大家所公认的一个对于节能的一个行之有效地途径[1]。
现如今，汽车的作为动力只占消耗能量的40%[2]左右，剩下的60%的能量没有被充分利用，而在这部分能量中，被发动机废气排放所带走的能量却为30%-45%[3]，这些能量大部分通过热量散发出去，造成了严重的空气污染。
另外，汽车发动机的排气压力大，温度高，排气温度可达800℃左右。
如果将这些余热用来进行温差发电，不仅可以节约能源，还会因为利用热量进行温差发电，提高燃机热效率和在一定程度上减低汽车的噪声震动。
所以，通过汽车的余热发电这项技术显得尤为重要。
1 温差发电理论基础塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅立叶效应称为温差发电的五种基本效应，其中塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应中电和热的转化是可逆的，而焦耳效应和傅立叶效应是不可逆的。
这五种效应构成了温差发电研究的理论基础，下面依次进行介绍。
1.1 塞贝克效应塞贝克效应，又被人称为热电的第一效应，作为发现者的塞贝克认为，所谓的塞贝克效应就是因为接触材料的温度不同，存在了相应地温度差，这就使得接触材料所形成的回路存在了一定量的电动势，这种电动势也被塞贝克叫做温差电动势。
这种效应经常被作为温差发电理论基础被学者广泛使用。
1.2 珀尔帖效应珀尔帖效应，常常又叫做热电的第二效应，法国珀尔帖认为，假如两种不同材料的金属所形成的闭合回路中存在了直流电流的话，它们的接触处就会相应地产生放热和吸热地现象。
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汽车发动机余热温差发电
摘要：随社会现代化的发展，能源紧缺现象日趋严重，车辆消耗的能源与日俱增，为提高汽车燃油效率以优化能源利用和保护环境，提出利用汽车尾气余热进行温差发电。
设想可以将纳米技术应用到此技术中，应该能提高利用率，减少能源浪费。
重点介绍温差发电基本原理及采用半导体热电元件的温差发电，包括对半导体材料的要求。
对热电转换材料性能特点及研究发展做了简单介绍。
关键词：温差发电；热电转换材料；塞贝克效应；应用
引言：以现有内燃机指标评估，燃油中60﹪左右的能量没有得到有效利用，绝大部分以余热的形式排放到大气中，这部分废气温度约在900K～1100K[1]，造成经济损失和环境污染。
因此，基于塞贝克效应的理论，将温差发电器安装在汽车内燃机的排气管上，能将内燃机运行时排出的余热直接转化成电能，实现最大限度的挖掘现有能源，带来可观的经济效益。
还可以降低温度使排气压力减少有助于汽车噪声电平下降。
从目前研究成果来看，此技术存在着效率低、成本高、结构不紧密等缺点还未能应用到实际当中。
但由于热电器件的系列优点，如无移动部件、无工作噪声、无污染、无震颤等使得热电材料与器件在此技术上得到了大力研究。
1温差发电
1.1温差发电原理
温差发电是利用两种连接起来的半导体的塞贝克效应，将热能转化成电能的一种技术。
半导体温差发电的原理如图1，它由P、N 两种类型不同的半导体温差电材料经电导率较高的导流片串联并将导流片固定于陶瓷片上而成。
在器件的两端建立一个温差, 使器件高温端保持T2，低温端保持T1，根据塞贝克效应，这样器件高温侧就会向低温侧传导热能并产生热流，即热能从高温侧流入器件内，通过器件将热能从低温侧排出时，流入器件的一部分热能不放热，并在器件内变成电能，
将产生一个电压，若在回路中接入负载电阻，则将有电流流过。
通过连接多个这样的器件串联便可获得较大的电压。
图1 温差发电原理图
半导体分为两型：一种为n 型，里面有自由电子；一种叫p 型，里面有空穴，即是缺少一个电子的原子。
用两型半导体组成温差电偶，当半导体两端温度不同时，n 型半导体的自由电子就从热端向冷端移动，造成冷端带负电而热端带正电，产生从热端向冷端电位差；p 型半导体的空穴，却造成冷端带正电，热端带负电，产生从冷端向热端的电位差。
因而p 型与n 型半导体的冷端间的温差电势恰是这两个电位差的和。
而且，半导体的自由电子或空穴数目是随温度增加的[2]。
1.1.1 塞贝尔效应 塞贝克（Seeback ）效应是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引
塞贝克效应图示
起两种物质间的电压差的热电现象（如图）
当装置一端处于高温状态，另一端处于低温状态，就会在回路中产生电动 势ΔE=S AB ΔT,式中ΔT 为两接触点的温差, T1、T2分别为低高温端温度，S AB 为相对塞贝克系数（V/K ）。
S AB =S A -S B ΔT=(T 2-T 1)
T 2 热电动势=ΔE
T 1 A T 2>T 1
B →I
Seebeck电压ΔE与热冷两端的温度差ΔT成正比，由于半导体具备优异的热电性能，因而成为制作塞贝克效应模块的首选材料。
另外，决定一种半导体热电材料的优劣不能仅凭其塞贝克参数的大小，还必须综合考虑其电导率，热导率等众多因素。
1.1.1.1 温差发电在汽车尾气余热发电方面的应用
具体实施方法：利用汽车尾气余热温差发电器，属于可再生能源技术领域，该装置包括集热器、温差发电片、冷却水箱。
（图2为温差发电原理示意图）。
该装置的连接是集热器的表面装有至少一个温差发电片，每个温差发电片的热端与集热器的侧面相连，每个温差发电片的冷端与冷却水箱相接，以获得较大的温差。
采用集热器进行尾气余热集热，为温差发电片提供高温度，用冷却水箱为温差发电片的冷端进行散热，散热效果好，散热不受外界温度、季节变化的影响，能使温差发电片的冷端温度保持恒定，温差发电片工作稳定，结构简单，成本低，使用方便，性能稳定，产能效率高。
将此装置安装在汽车发动机排气管上，可以得到较大的转换率和输出功率(图3为影响输出功率的主要因素)。
图3 影响温差发电输出功率主要因素图
图中可见冷热端温差越大，输出功率越大，因此，实际应用中尽可能提高冷热端温度差来加大输出功率。
2 热电转换材料和元件
2.2 热电材料的性能指标
热电转换器件是温差发电器的基本元件,它的功能是将热能直接转换为电能,效率取决于热电极材料的性能和器件的设计制造水平。
用于温差发电的热电材料都是半导体材料,如用于低温(300 ℃以下) 热电材料Bi2Te3及其固溶体合金、中温( 300 ℃～ 600 ℃) 热电材料PbTe2SnTe 、高温(600 ℃～1000 ℃) 热电材料SiGe 、MnTe 、SiRe2 、CeS 等[3]。
衡量热电材料优劣的指标为“优值”Z.
Z =α2σ/λ
(式中α为塞贝克系数,σ为电导率,λ为热导率, Z 的量纲为K- 1 ) 。
也常使用Z T 值(称为无量纲优值, T 为绝对温度) 。
能够用于温差发电的材料既要有较高的α、σ值又要有较低的λ值,因而,要提高高优值的热电材料的研究。
将热电转换材料所产生的电能可以直接充入蓄电池或被其它电器所利用(如图4)
图4.热电转换电池组与蓄电池连接图
2.2.2 提高材料优值的途径
提升热电材料ZT值的方法一般有两种，一为提高其功率因子(S2σ)，或降低其热传导系数(λ)。
影响功率因子的物理机制包括散射参数、能态密度、载子移动度及费米能级等四项。
前三项一般被认为是材料的本质性质，只能依靠更好更纯的样品来改进，而实验上能控制功率因子的物理量为通过改变掺杂浓度来调整费米能级以达到最大的S2σ值。
2.2.2.2 热电材料的研究
目前热电材料的研究主要集中在改进材料的微观结构，例如结构纳米化[4]，通过纳米技术在热电材料中渗入纳米尺寸的杂质相制备纳米复合结构热电材料（杂质相可为绝缘体，半导体或金属，也可为纳米尺寸的空洞）。
通过调整或控制掺入杂质的成分结构和大小得到纳米级的新相，提高材料的ZT值。
3 温差发电可行性
由文献数据可知，汽车发动机排气所带走的热量占所消耗燃料产生热量的40％，残余废气温度在800℃左右，轻型车废气温度达700℃，废气流速达20g ／s，重型车废气温度512℃，废气流速30 g／s，利用温差发电能得到5～6kw 电能。
这充分说明排气余热的温差发电具有可行性，只是转化率和效率不够理想只需在一种热电材料中掺杂1％的稀土元素铈或镱，就可将这种热电材料的转换效率提高25％[5].
4 结论
温差发电器用于车用发动机的余热利用具有广泛的应用前景，并且温差发电系统的温差越大、热源温度越高、材料优值越高，发电器的效率就越高[6]。
目前存在着效率低，成本高，结构不紧凑等问题，因此，提高温差发电器性能的方向是开发高优值的热电材料和高效的转换器结构。
热电材料的开发使用，可通过无污染的热电转换效应利用废弃热能获取电能供生产生活用电。
现时代世界范围内对热电系统的研究主要集中在半导体，它集成了纳米科技，晶体化学，热科学和能源科学等内容。
如今，日美欧等先进国家已经普遍重视，而我国还处于初步研究阶段，离国际先进水平还有较大差距，因此，要加大这方面的研究。
参考文献
[1] 刘忠宝，王浚.发动机排气取热换热器动态特性分析[J].辽宁工程技术大学
学报，2003（5）：559 － 661.
[2] 董桂田.汽车发动机排气废热的温差发电［J］.北京节能1997（4）:7-9.
[3] 徐立珍,李彦,杨知,陈昌和.汽车尾气温差发电的实验研究[J].清华大学学
报，2010，50（2）：287-289.
[4] 刘洪阳，刘万钊，贺强，杨晓光，赵力.发动机排气管余热发电研究[J].长
春理工大学学报，2007,30（3）：70-73
[5] 张征,曾美琴,司广树.温差发电技术及其在汽车发动机排气余热利用中的
应用[J]. 能源技术,2004,25(3):25-29.
[6] 朱敏.功能材料[M].北京机械工业出版社，2002,4：132-133
60-70。