温差发电器

一种静态的固体器件

温差发电器，是一种静态的固体器件，没有转动部件，体积小、寿命长，工作时无噪声，而且无须维护，成为空间电源研发的热点，大大刺激了温差电技术的发展。

产品介绍

由于半导体的温差电动势较大因此大都用它来制作温差发电器，它是一种新型的电子器件，无噪音、无污染、能量可高效转换的特点，预示着一场制冷技术革命的开始，温差发电，因为在我们的周围有着太多的“余热”可以利用，废汽热、废水热、废火热、太阳热等等；在能源日益紧张的今天，我们温差发电的愿望更加强烈。它的出现使任意相态的物质、任意局部环境的温度的智能化、数字化、程序化控制，成为可能。想冷，即冷；想热，即热。温度的控制，对于我们随心所欲。

发展历史

1、1821年德国科学家塞贝克（T.J. Seebeck）发现了塞贝克效应，迄今已经快200年了。第二次世界大战末发现半导体材料后，掀起了探索温差电材料和器件的热潮，促进了温差电理论和技术的发展。二十世纪五十年代末六十年代初，空间技术飞速发展，急需一种长寿命、抗辐照的电源。

2、1960年代初就有一批放射性同位素温差发电器（Radioisotope Thermoelectric Generator，英文缩写为 RTG）成功地应用于空间、地面和海洋。1963年美国将一个输出电功率2.7W的同位素温差发电器Snap3用在军用导航卫星上。1969年到1972年美国人将5个Snap27同位素温差发电器成功地放在月面上作为月面科学仪器供电电源。

3、常规的温差发电器的热电转换效率还不到10%。与其它化学和物理电源电源相比，温差发电器的效率确实还较低。但是，温差发电器具有其它电源尚不具备的优点，如寿命很长，应用环境和使用热源不受限制，特别是它可以利用所谓低级热发电－如工业废热、垃圾燃烧热、汽车排气管的余热以及太阳热、地热、海洋热能等，一直吸引着人们的青睐。1990年起，出于环境保护和经济可持续发展的需要，许多国家的政府和公司投入资金用于开发温差电技术，在全球范围内又一次掀起了研发这种绿色电源的热浪。

4、RTG是月球表面和深太空航天器的首选电源。RTG也可以用作海上浮标、声纳的电源，或极地、边界的军用隐蔽电源、预警系统电源。天然气燃料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。

测试系统

1、温差发电器热电性能测试系统，涉及应用电子技术及热工技术领域。其特征在于它含有紧贴在温差发电器的热面，为温差发电器的热面加热的电加热热源单元；紧贴在温差发电器的冷面、为温差发电器的冷面降温的循环冷却水回路热阱单元；采集温差发电器热面和冷面温度，温差发电器输出的电流和电压，循环冷却水回路热阱单元的流量、液温，将上述数据进行处理和分析，输出控制信号到电加热热源单元的数据采集和数据处理单元。

2、本系统测量的是整个温差发电器的热电性能，测得的数据直接反映了温差发电器整体性能，还具有结构简单，适应性强等特征。

3、温差发电器热电性能测试系统，其特征在于，它含有：电加热热源单元：紧贴在温差发电器的热端面，为温差发电器的热端面加热；循环冷却水回路热阱单元：紧贴在温差发电器的冷端面、为温差发电器的冷端面降温；数据采集和数据处理单元：采集温差发电器热端面和冷端面温度，温差发电器输出的电流和电压，循环冷却水回路热阱单元的流量、液温，将上述数据进行处理和分析，并输出控制信号到所述电加热热源单元。

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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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）。

工作原理

1、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I2RL，因而得到了将热能直接转换为电能的发电器。

2、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I2Ri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Ph、由于热传递迁移到冷端的热PT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。

性能

温差发电器的主要性能参数包括：开路电压、输出电功率、效率、功率衰减率、重量、体积、重量比功率和可靠性等等。

开路电压

温差发电器的开路电压，指温差发电器负载开路时发电器输出端的电压。符号ε，单位V

输出电功率

温差发电器的输出电功率，等于负载上的电压和回路电流的乘积。

温差发电器的效率

指热电转换效率，定义为温差发电器的输出电功率与输入热功率之比。

寿命和功率衰降率

温差发电器是一种长寿命的电源。其寿命一般可达几年到十几年。温差发电器的寿命规定为温差发电器从正常工作到输出功率衰降到低于额定功率值一刻的时间。

温差发电器的功率衰降率，指的是单位时间内温差发电器输出功率衰降的百分数。

重量比功率

温差发电器重量比功率定义为温差发电器的输出功率与温差发电器总重量之比值。

制备工艺

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。

主要应用

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。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

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

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

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。

使用维护

1、热面温度的维持和控制，如温差发电器的热面温度过高，焊接接头容易脱落，某些温差电材料的升华率也急剧增加，极易引起温差发电器失效。所以温差发电器的热面温度应当控制和维持在额定温度以下。RTG加入同位素燃料后，热面温度将不可控地达到一定值。因此，RTG的设计就应当保证其在加燃料运行时热面温度不会高于允许温度值。由于温差发电器内部温度场对环境温度的变化很敏感。当环境温度升高时，热面温度和冷面温度都会增高，必须采取措施，创造有利的散热条件，将热面温度和冷面温度降低至合理的温度范围。例如，RTG发射和着陆以前，又如执行月面任务，特别是月昼，要充分考虑和解决其散热问题。

2、电源控制器，对于一定功率的温差发电器，由于工艺原因，温差电元件的尺寸不可能很细很长，温差电换能器中温差电单体对数也不可能任意增加。因此，一般来说，温差发电器的开路电压比较低。若用电器需要高电压供电，必须设计和使用与之匹配的升压器。温差发电器的伏安特性呈线性,与太阳电池、化学电池不同，而且其输出特性对环境温度的变化很敏感，电源控制器的设计应当充分考虑到这些因素。珀尔帖效应可以消耗温差发电器的输入热量，降低其热面温度。因此，空间应用的温差发电器，在着落前，即发射、变轨、轨道等阶段，处于短路状态较为有利。

发展趋势

1、温差电技术领域，极大部分努力都在提高温差发电器的热电转换效率。对空间应用来说，非常重要的是提高其重量比功率。提高热电转换效率最主要的途径是提高温差电材料的优值。具体来说就是改善现有温差电材料的热电性能、研究新型温差电材料、开发功能梯度温差电材料，以及降低温差电材料的维数。

2、提高温差电材料的优值，增加了温差发电器的热电转换效率，最终的结果，降低了温差发电器的成本（特别是RTG的成本），改善了温差发电器的重量比功率。美国航天局（NASA）制定了空间核创新计划，开发先进的放射性同位素电源系统和空间核反应堆电源系统。后来该计划更名为普鲁米修斯核电源和推进计划。计划目标是面对未来火星科学站网络、小型电推进器、具有复杂机动能力的深空探测小型飞行器等各种空间新任务，开发核电源，大大扩展人类在行星或月球表面移动实验室、深空探测的能力。

3、普鲁米修斯计划要求研制的同位素电源系统增加比功率，同时减少同位素量，以降低飞行成本。目标：比功率增加2倍，即从RTG的4.5We/kg，提高到8-10We/kg，效率从5.7%提高到2到4倍。

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