热电材料项目分析

热电空调项目

分析报告

一、项目背景

进入21 世纪以来，随着全球环境污染和能源危机的日益严重，以及对人类可持续发展的广泛关注，开发新型环保能源替代材料已越来越受到世界各国的重视。

1、能源短缺

随着全球工业化的进程，人类对能源消耗的需求不断增长，回顾近100 年能源工业的发展历史，可以清楚地看到，整个能源工业的消耗主要以化石类能源为主。人类正在消耗地球50 万年历史中积累的有限能源资源，煤和石油作为能源的载体，极大地解放了生产力，推动了全球工业化的进程，同时也向人类敲响了警钟：常规能源己面临枯竭。由于常规能源的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需要。从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020 年，天然气也只能延续到2040 年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。因此，如不尽早设法解决化石能源的替代能源，人类迟早将面临化石燃料枯竭的危机局面。

2、环境污染

当前由于燃烧煤、石油等化石燃料，仅我国每年就将有近百万吨C O 2、二氧化硫、氮氧化物等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。直接影响人类的身体健康和生活质量，严重污染水土资源。这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠利用太阳能等可再生洁净能源来解决。

3、温室效应

化石能源的利用不仅造成环境污染，同时由于排放大量的温室气体而产生温室效应，引起全球气候变化。这一问题已提到全球的议事日程，其影响甚至已超过了对环境的污染，有关国际组织已召开多次会议，限制各国C O 2 等温室气体的排放量。

二、热电材料介绍

什么是热电材料呢热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料。人们对热电材料的认识具有悠久的历史。1823年，德国人塞贝克（Seebeck）发现了材料两端的温差可以产生电压，也就是通常所说的温差电现象。1834年，法国钟表匠

珀耳帖（Peltier）在法国《物理学和化学年鉴》上发表了他在两种不同导体的边界附近（当有电流流过时）所观察到的温差反常的论文。这两个现象表明了热可以致电，而同时电反过来也能转变成热或者用来制冷，这两个现象分别被命名为塞贝克效应和珀耳帖效应。它们为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。

热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，热电材料的应用很神奇，它通入电流之后会产生冷热两端，故可以用来冷却也可以用来保温。而如果同时在两端接触不同温度时，则会在内部回路形成电流，温差越大产生的电流越强，这就启发了一种新思维：用热电材料接收外界热源来产生电力。这种概念并不是空中楼阁，目前日本和德国都已开发出利用人体体温与外界环境温度差异，进而产生电力来驱动手表。

热电材料的选择可依其运作温度分为三类：

1、碲化铋及其合金：这是被广为使用于热电致冷器的材料，其最佳运作温度<450℃。

2、碲化铅及其合金：这是被广为使用于热电产生器的材料，其最佳运作温度大约为1000℃。

3、硅锗合金：此类材料亦常应用于热电产生器,其最佳运作温度大约为1300℃。

三、热电材料优缺点

制造热电发电机或热电致冷器的材料称为热电材料，是一种能实现电能与热能交互转变的材料。其优点如下:

（1）体积小,重量轻，坚固,工作中无噪音;（2）温度控制可在±℃之内;（3）不必使用CFC(CFC氯氟碳类物质，氟里昂。被认为会破坏臭气层)，不会造成任何环境污染;（4）可回收热源并转变成电能(节约能源)，使用寿命长，易于控制；（5）节能效果明显。

虽然其优点众多，但利用热电材料制成的装置其效率(<10%)仍远比传统冰箱或发电机小。所以若能大幅度提升这些热电材料的效率，将对广泛用于露营的手提式致冷器，太空应用和半导体晶片冷却等产生相当重要的影响。另外，一般来说热电材料的力学性能较差，以Bi2Te3为例，该材料的结构为-Te-Bi-Te-Te-Bi-Te-层状结构，在Te-Te之间为van der Waals bonding，容易断裂，所以BiTe材料在收到压力时Te-Te层易产生滑移，导致断裂，变形。这使得该材料的使用寿命以及范围大大降低。

四、热电材料应用

热电制冷应用：

1、军工方面:

半导体制冷应用在潜艇空调及其它特种船舶空调上早在六十年代美国就已开始大规模研究。在国内一九六七年开始了将半导体制冷应用到舰艇上作为空调器的科研项目。由于目前半导体制冷材料十分昂贵,整机造价很贵,不宜民用。在导弹、雷达装置中的红外探测器件冷却上使用半导体制冷已较为广泛由于降低了红外探测器的工作温度,可大大提高信噪比,从而提高了使用效率。这类制冷器尺寸在3×10-8m2左右,制冷功率为几个毫瓦级,采用半导体制冷是唯一可行的方案，国内也有这种系列产品的生产。多功能头盔在国外已应用于宇宙飞行。其中一个重要要功能即为半导体制冷器对头部的恒温。尤其在宇宙飞行中,舱位有限,这种有恒温功能的头盔起到了良好作用。由于坦克舱内温度高达40℃,为改善驾驶员的操作条件,有清醒的头脑,来提高作战能力。这种对驾驶员头部能达到冷却、降温的头盔是一种极好的应用。其它如应用在航空设备的冷却上,如对某设备组件的空调、冷却系统,因体积小、调节方便而广泛应用。

2、电子仪器方面

在大规模集成电路、光敏器件、功率元件、高频晶体竹等电子元器件的冷却上,半导体制冷器已被广泛采用。在国外也大规模采用半导体制冷来达到这些元器件冷却的目的。随着科学技术向高精尖发展,对各电子元、器件的温度性能要求越来越苛刻,而利用半导体制冷器件的正反向工作特性,创造一个从+80℃~50℃较宽的高低温条件,来测试电子元器件的性能的高低温测试设备是必不可少的。因为用半导体制冷器配套而成的这种高低温测试设备体积小,能逐点控温,操作方便。对参量放大器,变容二极管的冷却是半导体制冷发挥作用的独到之处。卫星地面站是跟踪卫星并接收卫星信号的一个综合设备,在该装置中配以半导体制冷,提高信号的接收能力和清晰率.低温红外标准辐射源,作为一种计量标准温度,可精密控制温度作标准背景的必不可少的仪器设备,是一种高精度的设备,半导体制冷器是该仪器中的一个重要部件,现该产品在国外同类型产品中已达到国际水平。半导体制冷热电偶零点基准仪的出现和使用是对传统使用的以冰块作为零度基准点的重大创新，使操作台因没有水和冰块的容器而显得干净、干燥。它操作方便,零点准确。对热摄像仪,电沉摄像管和电视摄像仪的冷却,配用半导体制冷器最为理想。达到了提高摄像的清晰度和分辨率的目的,又不至增加仪器的体积和重星。微型半导体制冷器在红外探测器上的应用正在不断扩大。把硫化侣、硒化侣与二级微型半导体制冷器组装而成的该产品具有探测率高,体积小,工艺结钩简单等特点,广泛应用在飞机喷管、高压电缆过热点、森林防火、火车热轴、工业过程控制等部门。在激光信频发生器冷却装置上,应用半导体制冷由上海激光研究所已获得成功，作为一种仪器该研究所已推向实用。光电倍增管上应用