温差发电

利用海水的温差进行发电

温差发电是指利用海水的温差进行发电。海洋不同水层之间的温差很大，一般表层水温度比深层或底层水高得多。发电原理是，温水流入蒸发室之后，在低压下海水沸腾变为流动蒸气或丙烷等蒸发气体作为流体，推动透平机旋转，启动交流电机发电；用过的废蒸气进入冷凝室被海洋深层水冷却凝结，再进行循环。据估算，海洋温差能一年约能发电15×108=15亿千瓦时。

原理

温差热发电技术是一种利用高、低温热源之间的温差，采用低沸点工作流体作为循环工质，在朗肯循环（Rankine Cycle，RC）基础上，用高温热源加热并蒸发循环工质产生的蒸汽推动透平发电的技术，其主要组件包括蒸发器、冷凝器、涡轮机以及工作流体泵．通过高温热源加热蒸发器内的工作流体并使其蒸发，蒸发后的工作流体在涡轮机内绝热膨胀，推动涡轮机的叶片而达到发电的目的，发电后的工作流体被导入冷凝器，并将其热量传给低温热源，因而冷却并再恢复成液体，然后经循环泵送入蒸发器，形成一个循环。

汤姆逊效应

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。

案例

美国科学家发现，鲨鱼鼻子里的一种胶体能把海水温度的变化转换成电信号，传送给神经细胞，使鲨鱼能够感知细微的温度变化，从而准确地找到食物，科学家猜测，其他动物体内也可能存在类似的胶体，这种因温差而产生电流的性质与半导体材料的热电效应类似，人工合成这种胶体，有望在微电子工业领域获得应用。美国旧金山大学的一位科学家在2003年1月30日出版的英国《自然》杂志上报告说，他从鲨鱼鼻子的皮肤小孔里提取了一种与普通明胶相似的胶体，发现它对温度非常敏感，0.1℃的温度变化都会使它产生明显的电压变化。

鲨鱼鼻子的皮肤小孔布满了对电流非常敏感的神经细胞.海水的温度变化使胶体内产生电流，刺激神经，使鲨鱼感知到温度差异.科学家认为，借助这种胶体，鲨鱼能感知到0.001℃的温度变化，这有利于它们在海水中觅食。

哺乳动物靠细胞表面的离子通道感知温度：外界温度变化导致带电的离子进出通道，产生电流，刺激神经，从而使动物感知冷暖.与哺乳动物的这种方式不同，鲨鱼利用胶体，不需要离子通道也能感知温度变化。

应用

热电制冷

热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应（帕尔帖效应）的一种制冷方法。

热电效应

1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，在将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现一个接头变热，另一个接头变冷。这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸放热现象。这就是热电制冷的依据。半导体材料具有较高的热电势可以成功地用来做成小型热电制冷器。图1示出N型半导体和P型半导体构成的热电偶制冷元件。用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路，铜板和铜导线只起导电的作用。此时，一个接点变热，一个接点变冷。如果电流方向反向，那么结点处的冷热作用互易。

热电制冷器的产冷量一般很小，所以不宜大规模和大制冷量使用。但由于它的灵活性强，简单方便冷热切换容易，非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。

热电制冷的理论基础是固体的热电效应，在无外磁场存在时，它包括五个效应，导热、焦耳热损失、西伯克（Seebeck）效应、帕尔帖（Peltire）效应和汤姆逊（Thomson）效应。

一般的冷气与冰箱运用氟氯化物当冷媒，造成臭氧层的被破坏。无冷媒冰箱（冷气）因而是环境保护的重要因素。利用半导体之热电效应，可制造一个无冷媒的冰箱。

这种发电方法是将热能直接转变成电能，其转变效率受热力学第二定律即柯诺特效率（Carnot efficiency）的限制。早在1822年西伯即已发现，因而热电效应又叫西伯效应（Seebeck effect）。

温差发电

2019年1月，浙江科技学院李国能教授团队，基于塞贝克效应设计了一种温差发电热电联供系统，提出了新型的辐射式集热器，采用生物质燃料的分布式热电联供系统可以摆脱对化石燃料的依赖。

2019年8月30日，湖北武汉武科大学生科研团队在樊希安教授的指导下，成功利用人体体温和环境的温差做出了人体体温温差发电电池。

这款电池的发电原理主要是温差发电原理，当人体体温与环境温度产生温度差时，它就会导致芯片里载流子的运动，载流子的运动可以实现发电。这一成果解决了移动设备需要充电的难题，未来可应用于国防装备、医疗器械、个人娱乐终端、畜牧业等。

历史

威廉·汤姆逊1824年生于爱尔兰，父亲詹姆士是贝尔法斯特皇家学院的数学教授，后因任教格拉斯哥大学，在威廉8岁那年全家迁往苏格兰的格拉斯哥。汤姆逊十岁便入读格拉斯哥大学（你不必惊讶，在那个时代，爱尔兰的大学会取录最有才华的小学生），约在14岁开始学习大学程度的课程，15岁时凭一篇题为“地球形状”的文章获得大学的金奖章。汤姆逊后来到了剑桥大学学习，并以全年级第2名的成绩毕业。他毕业后到了巴黎，在勒尼奥的指导下进行了一年实验研究。1846年至1899年，汤姆逊新回到格拉斯哥大学担任自然哲学（即现物理学）教授，1899年汤姆逊正式退休。

汤姆逊在格拉斯哥大学创建了第一所现代物理实验室；24岁时发表一部热力学专著，建立温度的“绝对热力学温标”；27岁时发表《热力学理论》一书，建立热力学第二定律，使其成为物理学基本定律；与焦耳共同发现气体扩散时的焦耳－汤姆逊效应；历经9年建立欧美之间永久大西洋海底电缆，由此获得“开尔文勋爵”的贵族称号。

汤姆逊一生研究范围相当广泛，他在数学物理、热力学、电磁学、弹性力学、以太理论和地球科学等方面都有重大的贡献。撇开这些不谈，回到“汤姆逊效应”这个主题上来。在介绍汤姆逊效应之前，还是先介绍一下前人所做的工作。

1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，此所谓“塞贝克效应”。1834年，法国实验科学家帕尔帖发现了它的反效应：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，此所谓珀尔帖效应。1837年，俄国物理学家愣次又发现，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。

1856年，汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为，在绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆孙效应（Thomson effect），成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应（thermoelectric effect）。

塞贝克效应是导体两端有温差时产生电势的现象，帕尔帖效应是带电导体的两端产生温差（其中的一端产生热量，另一端吸收热量）的现象，两者结合起来就构成了汤姆逊效应。

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