工人培训教材
温 差 电 技 术
张建中编著
中国电子科技集团公司第十八研究所
2004年
目录
第一节温差电学的历史和发展
第二节温差发电
第三节温差电致冷
第二章温差电基本理论
床垫钢丝
第一节温度和热量
第二节热传递的方式
第三节温差电效应
第四节温差发电
第五节温差电致冷
第一节温差电材料的选择标准
第二节温差电性质
第三节重要的温差电材料
第四节温差电材料制备工艺
引流袋
第五节温差电材料质量检验
第四章温差电元件焊接
第一节焊接原理
第二节电极或导流片
第三节焊接接头、模具和夹具
第四节焊接前的清洗和处理
第五节焊接方法
第六节焊接质量的检验
第五章温差电致冷组件
第一节温差电致冷组件的结构
第二节温差电致冷组件的制造工艺
第三节温差电致冷组件的性能
第四节温差电致冷组件的性能测试
第五节温差电致冷组件的可靠性
第六节型号命名方法
第一节温差电换能器的设计
第二节温差发电器的结构和材料
第三节温差发电器的组装工艺
第四节散热问题
第五节温差发电器的热源
第六节 升压器和功率调节器
牵引头第七节 温差发电器的性能
题库
答案
第一章温差电技术概述
第一节温差电学的历史和发展
温差电学的发展可分三个阶段。
第一个阶段在19世纪二三十年代至五十年代。
1821年德国科学家塞贝克发现了第一个效应，后来人们称之为塞贝克效应。
1834年法国科学家珀尔帖发现了第二个效应，后来人们称之为珀尔帖效应。
1845年英国人汤姆逊用热力学理论把上面两个现象联系起来，并发现了第三个效应，后来人们称它为汤姆逊效应。
转接口
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。（介绍常用的测温热电偶）
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电致冷理论，并得到了温差电致冷器基本参量的热力学公式。但是，长期以来由于在技术上没有到一种有效的可供发电或致冷的材料，因此，没有付诸实现。
第二个阶段发生在二十世纪四十年代到七十年代。
自从第二次世界大战末出现了半导体，整个局面发生了变化。半导体材料塞贝克系数较大，有希望获得相当高的热电转换效率。
1942年苏联科学家制成用火焰加热的温差发电器，温差电材料是锌锑合金和康铜，效率达到1.5-2%。同年，美国制成军用便携式温差发电器，温差电材料是碲化铅，效率不到1%。
1953年苏联科学院半导体研究所制成温差电致冷家用冰箱，当冰箱内空气温度比室温低24时，能够保证冷却系数为20%。
温差发电器的研制工作在二十世纪五十年代末六十年代初得到了飞速发展。特别是空间技术对电源的需要大大刺激了温差发电器的研制工作。六十年代初就有一批温差发电器成功地应用于空间、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。
1990年起，温差电学又遇到了一个好机会，得以蓬勃发展。这主要是环保引起的。全球范围的温室效应，迫使人们限制和禁用含氟致冷剂。而温差电致冷不会对环境造成污染，因此被人们青睐。又由于电子信息类产品的飞速发展，要求寻求一种方便的冷却方式。因此，温差电科学和技术又成了热门。
第二节 温差发电
1 特点
温差发电器是利用塞贝克效应，将热能转换成电能的一种发电器。
温差发电器是一种没有转动部件的固态器件，体积小、寿命长，工作时无噪声，而且无须维护。
特别是同位素温差发电器（RTG）结构紧凑、可靠性高、抗辐照性能好，与迄今已知的其他化学和物理电源相比，它的质量比能量高、寿命长，且不需维护、也不受环境影响。尤其是它能够在极低的环境温度下工作（例如零下一百多度），更是其他化学和物理电源无法比拟的。它的缺点是效率低(目前低于10%)、成本高(主要因放射性同位素价格昂贵)。现在，RTG 已在空间、地面、海洋及医学的特殊任务中获得了应用，在某些场合( 如月球表面和深太空)它是目前的首选电源。
2 分类
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量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（包括废热）直接转换成电能的温差发电器。
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℃～700℃，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（BiTe）。
nhdt-4713 应用
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160W, 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。例如著名的有登月计划、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，带有3个同位素温差发电器。目前, 这些同位素温差发电器的使用寿命都超过15年，有的已经工作30多年。
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。
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。
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、太阳热、地热、海洋热能等，一般指温度在200℃以下的热源。 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，温差发电器可直接产生低压大电流，如电解水制氢，是最好的储能方式之一。
第三节 温差电致冷
1 特点
温差电致冷是利用珀尔帖效应工作的。温差电致冷器有很多优点。 它是一种没有转动部件的固态器件，体积小、寿命长，工作时无噪声，又不会释放有害物质（如氟氯烃）；只要改变电流的方向，同一个致冷器可用于致冷，也可以致热；它能在任意角度安装运行，调节电压或电流就可以精确控制温度。由于它具有这一系列优点，在工业、农业、科学研究和国防等各领域都得到了广泛的应用。具体说来，温差电致冷的优点可以归纳为如下八点：
1) 小型化：一般情况下，温差电致冷器外形尺寸和体积远远小于机械制冷系统，重量也比较轻。各种标准的、尺寸和结构特殊的温差电致冷组件可供选择，适用于不同的应用场合。
2) 具有致冷和加热两种功能：改变直流电源的极性，同一致冷器可实现加热和致冷两种功能。
3) 精确温控：使用适当的闭环温控电路，可实现温度控制。温差电致冷器控温精度可优于±0.1℃.
4) 高可靠性：温差电致冷组件为固体器件，无运动部件，因此失效率低。典型的温差电致冷组件的寿命大于二十万小时。
5) 工作时无声：与机械制冷系统不一样，温差电致冷组件工作时不产生噪音。
