溫差發(fā)電器，是一種靜態(tài)的固體器件，沒有轉(zhuǎn)動部件，體積小、壽命長，工作時(shí)無噪聲，而且無須維護(hù)，溫差發(fā)電器具備壽命很長，應(yīng)用環(huán)境和使用熱源不受限制，特別是它可以利用所謂低級熱發(fā)電-如工業(yè)廢熱、垃圾燃燒熱、汽車排氣管的余熱以及太陽熱、地?zé)帷⒑Ｑ鬅崮艿龋恢蔽藗兊那嗖A。那么溫差發(fā)電器性能 、特點(diǎn)及應(yīng)用是怎樣的呢?
一、溫差發(fā)電器性能
1 、溫差發(fā)電器分類
按照熱端工作溫度的高低 ,溫差發(fā)電器可分為以下 3 類: 1) 高溫發(fā)電器(700 ℃以上) ,所用溫差電材料主要是硅鍺合金; 2) 中溫發(fā)電 器(400～700 ℃) ,所用溫差電材料主要是碲化 鉛;3) 低溫發(fā)電器( 400 ℃以下) ,所用溫差電 材料主要是碲化鉍。按所使用的熱源種類 ,溫差發(fā)電器可分為 以下 4 類: 1) 放射性同位素溫差發(fā)電器 ,它將 放射性同位素 ( 如238Pu ,90Sr ,210 Po 等) 的衰變熱直接轉(zhuǎn)換成電能; 2) 核反應(yīng)堆溫差發(fā)電器 ,它將反應(yīng)堆中核燃料裂變產(chǎn)生的熱量直接轉(zhuǎn)換成電能; 3) 烴燃料溫差發(fā)電器 ,主要包括使用天然氣、液化石油氣、水煤氣等氣體燃料的發(fā)電器和使用煤油、汽油等液體燃料的發(fā)電器; 4)低級熱溫差發(fā)電器 ,將各種形式可利用的低級熱能(如余熱、廢熱) 直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>
2 、溫差發(fā)電器主要結(jié)構(gòu)
溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)主要包括以下幾部分:1) 熱源; 2) 溫差電器件(含溫差電材料) ,將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能; 3) 電極 ,聯(lián)接兩種不同類型溫差電器件之間的金屬 ,主要起電聯(lián)接、機(jī)械支撐及傳熱作用; 4) 絕熱材料;5) 外殼 ———散熱器;6) 輻射屏蔽與安全防護(hù)裝置; 7) 電壓變換和功率調(diào)節(jié)裝置。衡量溫差發(fā)電器總體性能的指標(biāo)是熱電轉(zhuǎn)換效率、輸出電功率、輸出電壓、工作壽命、重量、體積、成本和可靠性等。
3 、溫差電材料
從溫差電材料研究與發(fā)展的狀況來看 ,早期利用碲化鉛( Pb Te) 作為溫差電材料 ,后來研制了 TA GS ( Te 、Ag 、Ge 、Si) 合金作 P 型元件( N型元件仍為 Pb Te) ,熱端溫度可達(dá) 600 ℃在百瓦級溫差發(fā)電器和通用型溫差發(fā)電器中又使用了新的溫差電材料硅鍺合金( Si Ge) ,熱端溫度可達(dá) 1 000 ℃,機(jī)械性能和抗氧化性能很好 ,高溫下不易蒸發(fā) ,在真空和空氣中均能工作 ,對空間任務(wù)特別有利。近十年來 ,由于環(huán)境保護(hù)和軍事應(yīng)用的需要 ,溫差電材料的研究重新引起人們的重視。目前 ,室溫附近最好的塊狀溫差電材料碲化鉍(Bi Te) 的無量綱優(yōu)值 ZT 大約等于 1 . 0 ,為了與其它能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相競爭 ,必須使無量綱優(yōu)值 ZT 提高到 1 . 5～3 . 0 , 其途徑有三: 其一 ,研究新材料(過渡金屬的五價(jià)碲化物、準(zhǔn)晶體、氧化物等) ; 其二 ,研究功能梯度材 料;其三 ,降低材料的維數(shù)。
二、溫差發(fā)電器的特點(diǎn)
1、溫差發(fā)電器熱電性能測試系統(tǒng)，涉及應(yīng)用電子技術(shù)及熱工技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于它含有緊貼在溫差發(fā)電器的熱面，為溫差發(fā)電器的熱面加熱的電加熱熱源單元;緊貼在溫差發(fā)電器的冷面、為溫差發(fā)電器的冷面降溫的循環(huán)冷卻水回路熱阱單元;采集溫差發(fā)電器熱面和冷面溫度，溫差發(fā)電器輸出的電流和電壓，循環(huán)冷卻水回路熱阱單元的流量、液溫，將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，輸出控制信號到電加熱熱源單元的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理單元。
2、本系統(tǒng)測量的是整個(gè)溫差發(fā)電器的熱電性能，測得的數(shù)據(jù)直接反映了溫差發(fā)電器整體性能，還具有結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)等特征。
3、溫差發(fā)電器熱電性能測試系統(tǒng)，其特征在于，它含有: 電加熱熱源單元:緊貼在溫差發(fā)電器的熱端面，為溫差發(fā)電器的熱端面加熱; 循環(huán)冷卻水回路熱阱單元:緊貼在溫差發(fā)電器的冷端面、為溫差發(fā)電器的冷端面降溫; 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理單元:采集溫差發(fā)電器熱端面和冷端面溫度，溫差發(fā)電器輸出的電流和電壓， 循環(huán)冷卻水回路熱阱單元的流量、液溫，將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并輸出控制信號到所述電加熱熱源單元。
三、溫差發(fā)電器主要應(yīng)用
航天方面
美國自1961年起在二十多項(xiàng)空間任務(wù)中使用同位素溫差發(fā)電器做電源。這些同位素溫差發(fā)電器的輸出電功率從2.7W到300W,質(zhì)量從2kg到34kg,最高效率已達(dá)6.7%,最高質(zhì)量比功率已達(dá)5.2W/kg, 設(shè)計(jì)壽命為5年。例如著名的阿波羅登月計(jì)劃、飛向外層行星的旅游者、海盜號火星著陸器、伽利略飛船等都使用了同位素溫差發(fā)電器。1997年10月，美國成功地發(fā)射了探測土星的卡西尼行星際飛船，有3個(gè)同位素溫差發(fā)電器作電源。2006年1月，發(fā)射了探測冥王星的新視野號飛船，用1個(gè)RTG作電源。目前, 這些同位素溫差發(fā)電器的使用壽命都超過19年，有的已經(jīng)工作30多年。
日常方面
同位素溫差發(fā)電器在地面和海洋開發(fā)中應(yīng)用也日益增多�，F(xiàn)已使用的同位素溫差發(fā)電器功率范圍在幾毫瓦到數(shù)百瓦、上千瓦。主要用于燈塔、航標(biāo)、海底聲納、海底微波中繼站、自動氣象站和地震測試站電源。
軍事方面
美軍研制了前沿陣地使用的機(jī)動性高、無聲、質(zhì)量輕、能無人維護(hù)長期運(yùn)行的液體燃料溫差發(fā)電器，供夜視裝置、雷達(dá)、導(dǎo)航設(shè)備、電臺和指揮系統(tǒng)使用。這種發(fā)電器可使用柴油、汽油等多種液體燃料，功率從幾十瓦到一千瓦，可便攜或可作車載輔助電源。加拿大環(huán)球溫差電公司生產(chǎn)的燃?xì)鉁夭畎l(fā)電器已經(jīng)在世界許多國家的輸油、輸氣管線、通訊網(wǎng)絡(luò)上獲得了應(yīng)用。
