溫差發電
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2019-08-29
溫差發電的實例教程
塞貝克效應的成因可以簡單解釋為在溫度梯度下導體內的載流子從熱端向冷端運動，并在冷端堆積，從而在材料內部形成電勢差，同時在該電勢差作用下產生一個反向電荷流，當熱運動的電荷流與內部電場達到動態平衡時，半導體兩端形成穩定的溫差電動勢。半導體的溫差電動勢較大，可用作溫差發電器。
產生Seebeck效應的主要原因是熱端的載流子往冷端擴散的結果。例如p型半導體，由于其熱端空穴的濃度較高，則空穴便從高溫端向低溫端擴散；在開路情況下，就在p型半導體的兩端形成空間電荷（熱端有負電荷，冷端有正電荷），同時在半導體內部出現電場；當擴散作用與電場的漂移作用相互抵消時，即達到穩定狀態，在半導體的兩端就出現了由于溫度梯度所引起的電動勢——溫差電動勢。自然，n型半導體的溫差電動勢的方向是從低溫端指向高溫端（Seebeck系數為負），相反，p型半導體的溫差電動勢的方向是高溫端指向低溫端（Seebeck系數為正），因此利用溫差電動勢的方向即可判斷半導體的導電類型。可見，在有溫度差的半導體中，即存在電場，因此這時半導體的能帶是傾斜的，并且其中的Fermi能級也是傾斜的；兩端Fermi能級的差就等于溫差電動勢。
本模型是一個環狀的PN節陣列結構，內外管壁保持一定溫差。通過熱電效應產生電流，具體見動圖所示。
整體模型
內部的PN結布置
PN結截面圖
以下是平面TEC在不同內外溫差下 ，輸出功率和輸出電壓變化曲線、COP曲線等等。
開路電壓，總阻值，輸出功率等曲線圖趨勢展示。
COP曲線：
模型文件在文中開頭，需要的可以下載，加密文件如需密碼可以私信我。謝謝。
展開 基于comsol的帶狀溫差發電模塊
值得一提的是：此次嫦娥四號的能源供給方式實現了新的科技突破：它采用同位素溫差發電與熱電綜合利用技術結合的方式供能。
之前的嫦娥三號在執行任務時，因為在月夜期間無法獲得太陽能，探測器這時完全斷電，所有電子設備都不進行工作。而這一次，嫦娥四號探測器卻做了特別的嘗試，它利用了供熱系統來給設備供電。
所謂“同位素溫差發電與熱電綜合利用技術“，也就是用航天器兩面太陽翼收集的太陽能和月球車上的同位素熱源兩種能源供給。當月夜來臨，同位素熱源將為儀器設備供熱，保證航天器在-180℃的環境中不被凍壞，安然度過寒冷漫長的月夜。
新技術：溫差式放射性同位素電源
溫差式放射性同位素電源，是指放射性同位素衰變時釋放的衰變能以衰變產生的粒子和新核素反沖核的動能形式出現，在粒子和反沖核與物質經過多次碰撞后轉變為熱能，之后再利用半導體的塞貝克效應將熱能轉變為電能。
熱電效應簡單示意圖
美國率先對溫差式放射性同位素電源進行了研究。至今，美國發射了20多艘航天器，攜帶了40多個放射性同位素電源。卡西尼號探測器于2004年到達土星，攜帶的單個同位素電源電功率為285瓦。
展開 OTEC是一種利用寒冷深海與熱帶溫暖海面之間溫差發電的工藝。OTEC發電廠泵取大量寒冷深海水和表層海水，實現動力循環并發電。
Naval Energies的離岸浮動風機和OTEC的技術解決方案將幫助定義海洋可再生能源行業標準，為未來打造更低成本的替代能源。
達索系統船舶與海洋工程行業副總裁Alain Houard說：“由于替代能源受到越來越多的關注，海洋市場正在發生轉變。像Naval Energies這樣的創新企業正在依托新業務模式進入新的細分市場。3DEXPERIENCE平臺可幫助他們更好地應對這一市場轉型帶來的挑戰，并通過新運作方式把握海洋行業涌現的新機遇。”
法國擁有11,000 km2的領海面積，位居世界第二，力圖到2030年用可再生能源支持其32%的能耗。
來源：達索系統
展開 在溫差發電發面，它可以將熱能直接轉化為電能，在余熱回收方面有很大的用處，達到低碳環保、節能減排的效果。
據富信技術研發中心曹主任介紹，半導體熱電致冷芯片可以在同一個系統內實現制冷和加熱兩種功能，這是其他的制冷方式所不能比擬。作為一種可以實現熱能及電能之間相互直接轉換的能量轉換技術，它成為熱電技術領域中可靠、經濟的解決方案，現已廣泛應用于空間、軍事、通訊、醫療、工業、汽車、民用消費品等領域，例如深空探測器電源RTG、紅外探測器冷卻、光通訊器件恒溫、PCR等生物醫療設備、車載冰箱及恒溫座椅、紅酒柜飲水機等消費類電器。
據統計，富信年產制冷芯片1000萬片、制冷系統700萬套、熱電終端產品100萬臺的生產能力，是全球最大的半導體熱電產品制造基地。其熱電終端產品除占據國內市場外，更銷往包括歐洲、美國、加拿大、澳大利亞及日韓等東南亞國家和地區，是聯合國合格供應商之一。
在推動產業發展上，富信除了本身持續的技術研發創新外，還與順德職業技術學院聯合開展校企合作，主辦了“富信杯”工業設計大賽。參賽作品涉及到智能家居、餐飲物流、醫療設備、母嬰用品等多方面領域，集中體現了半導體熱電技術小巧便攜、精確控溫、節能環保等方面的特點。
富信希望通過加強校企合作，將半導體致冷技術相關知識與信息傳播給年輕人群體，拓展技術受眾群體。在為學生提供一個自我展示機會的同時，發掘半導體熱電技術新的應用領域，更好地推動半導體熱電產業的發展。而事實證明，參賽作品無論從創意性還是實用性，都為后面開發新的產品提供了很好的素材。
盡管半導體熱電致冷芯片的技術發展及應用日趨成熟，但仍存在需要攻克的難題。
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基于comsol的帶狀溫差發電模塊
很多研究將輻射制冷技術應用于熱電器件的冷端來提高發電溫差。如圖 9(b) 所示，當柔性可穿戴熱電設備和輻射制冷技術結合時，不僅可減少熱電設備的體積，還可以提高設備的發電功率。
圖 9 輻射制冷在其他領域的應用
由于輻射制冷量具有時間依賴性，輻射制冷在夜間效果更好，但白天對制冷的需求更大。因此可將相變材料和輻射制冷技術結合起到對冷量削峰填谷的作用。
柔性熱電薄膜可直接利用人體與周圍環境之間的溫差發電
國內外針對這部分余熱開展了大量研究，試圖通過多種途徑進行回收利用：①用導熱油回收荒煤氣余熱;②用熱管回收荒煤氣余熱;③用鍋爐回收荒煤氣帶出熱;④用半導體溫差發電技術回收荒煤氣余熱;⑤荒煤氣余熱微流態回收技術;⑥國外用荒煤氣帶出熱對COG進行高溫熱裂解或重整;⑦以荒煤氣余熱為熱源的高效負壓蒸氨工藝;⑧利用初冷器回收82-85℃的荒煤氣余熱;⑨國外用荒煤氣直接燃燒發電。
于1821年德國科學家Thomas Seeback觀察到，當兩種不同的金屬構成一閉合回路，若在兩接合點存在有溫度差時，則回路中將產生電流，此種效應被命名為Seeback Effect，這也成為了溫差發電技術的基礎。
半導體的溫差電動勢較大，可用作溫差發電器。
產生Seebeck效應的主要原因是熱端的載流子往冷端擴散的結果。
OTEC是一種利用寒冷深海與熱帶溫暖海面之間溫差發電的工藝。OTEC發電廠泵取大量寒冷深海水和表層海水，實現動力循環并發電。
Naval Energies的離岸浮動風機和OTEC的技術解決方案將幫助定義海洋可再生能源行業標準，為未來打造更低成本的替代能源。
達索系統船舶與海洋工程行業副總裁Alain Houard說：“由于替代能源受到越來越多的關注，海洋市場正在發生轉變。
值得一提的是：此次嫦娥四號的能源供給方式實現了新的科技突破：它采用同位素溫差發電與熱電綜合利用技術結合的方式供能。
之前的嫦娥三號在執行任務時，因為在月夜期間無法獲得太陽能，探測器這時完全斷電，所有電子設備都不進行工作。而這一次，嫦娥四號探測器卻做了特別的嘗試，它利用了供熱系統來給設備供電。
ADI的能量收集方案
另外，ADI還有面向電網的監控監測系統、包括振動發電和溫差發電在內的能量收集方案，助力整個汽車、工業、通信乃至消費電子市場發展。
圖1 半導體材料的熱電效應以及利用熱電效應工作的兩類熱電器件：溫差發電機和主動制冷器。
北京大學化學與分子工程學院裴堅-王婕妤課題組與中科院化學所朱道本-狄重安課題組合作設計發展了給體片段以氟原子修飾的n型給受體聚合物熱電材料，利用聚合物鏈間的給受體相互作用維持聚合物的電子遷移率，通過引入氟原子增加聚合物的電子親和性以提高n摻雜效率，兩者的協同作用大幅度提高了聚合物的n型電導率。
