热电偶技术及其温差直接发电的应用分析
田亦凡，解光勇，翁婷玥
（西安理工大学应用物理系，西安710054）
摘要：温差直接发电技术是一种基于塞贝充效应直接将热能转化为电能的新型发电技术.从热电偶的工作原理入手，讨论利用热电偶产生电能时影响发电性能指标的相关因素，分析国内外相关技术的研究状况及其发展超势.
关键调：温差电：热电偶：发电技术：塞员充效应
中图分类号：TM913文献标志码：A文章编号：1009-3230（2013）06-0039-03
TechnologyofThermocoupleandThermoelectricPowerGeneration
TIAN Yi-fan XIE Guang-yong WENC Ting-yue(The Applled Physics Department Xi' An University of Technology Xi'an 710054 China)
Abstract: The technology of thermoelectric generation is a kind of power generation technology which based on the Seebeck Effect. In this paper the operating principle of themocouple and thehome and abroad of thermoelectric generation technology were reviewed. performances of thermocouples are introduced and the researching status and developement trends at
Key words: Themoelectricity; Thermocouple; Power technology; Seebeck Effect
文中对基于塞贝克效应的热电偶温差发电技术进行初步的分析和研究，比较了不同材料热电转换 装置的应用范围和优缺点，讨论了目前应用中存在的问题.
0引言
目前，化石能源发电技术中能源有限且对环境的严重污染，已引起社会的广泛关注，新能源发电技术的开发迫在眉睫.温差直接发电技术是基于塞贝克效应的一种新型发电装置，其结构简单，制造方便，尤其是工作过程无污染等优点开始受到人们关注.目前，基于塞贝克效应的热电的研究-，薄膜热电偶技术的研究*，热电偶 偶技术有了较为深人的研究，例如：热电偶传感器冷端补偿电路的研究，聚光集热式太阳能热电偶发电技术的研究.将热电偶用于温差发电时，仍需要进一步研究其热电动势的影响因素.
1热电偶技术
热电偶的基本原理是塞贝克效应（也称热电效应），其方法是利用两根不同材料的导体两端接合成回路，结合点两端的温度不同时回路中将产生温差电动势（也称为热电动势）.图1是热电偶的实验原理图，其中粗实线A和细实线B分别表示两种不同材料的导体，导体A和B被称为热电偶的极.高温端C端（温度记为T）是工作端，通常连接在一起：低温一端0端（温度记为T）是自由端，将自由端两端闭合，回路中产生的温差电势可以表示为：
(1)
式中：a为塞贝克系数.
度大、较高的性价比、操作简单、稳固性强、响应时间短和检测结果误差小等方面，适合各种环境下使用.同时它也具有一些缺点：一方面，大范围测量时热电偶的线性特性较差，另一方面，热电偶的信号电平很低，常常需要放大或高分辨率数据转换器进行处理.表1是几种标准热电偶的适用范围和优缺点的比较.
热电偶的工作端和自由端在温度恒定的条件下，即热电偶工作于某个恒定的温度差，热电势的值也基本恒定.
图1热电偶工作原理示意图
2热电偶性能
热电偶的优点主要体现在检测湿度范围的宽
标准热电偶的性能比较
表1
热电偶类型 缺点优点铂姥10-铂 （符号：S） 热电性能稳定、抗氧化性强、长期使用湿度达1300°℃： 糖度高；使用范围较广，均匀性及互换性好.耐热性、稳定性、再现性良好及较优越的精确度：耐氧在氢、金属高气中）；补偿导线误大：价格高昂. 热电动势值小：在还原性气体环境较脆弱（特别是铂姥13- （符号：R) 化、耐腐蚀性良好；可以作为标准使用.帕30-铂姥 适用于1000℃-1800℃；无需补偿导线：耐氧化、耐腐600℃以下测定温度不准确：中低温域的热电动势（符号：B） 蚀性良好：附热性与机械强度较R翻优良. 极小，线性不佳；价格高昂.科新-（符号：K） 热电动势线性好；1000℃以下耐氧化性、稳定性良好. 不适用于还原性气体环境：热电动势稳定性较差.镍络硅-镍硅 热电动势线性好；1200℃以下耐氧化性良好：受Green（N各址） Rot影响较小. 不适用于还原性气体环境：热电动劳稳定性较差.钢-钢镍 热电动势线性好：低温特性优良：再现性好：可用于还原 使用温度限度低：正极的钢易氧化：热传导误差大.（1） 性气体环境.铁-康钢 适用于中温区；可用于还原性气体环境：价格较便宜. 正极易生锈：再现性不佳.（符号：J）镍铬-康钢 耐热性良好：两脚不具磁性；适于氧化性气体环境：价格（符号：E) 低廉. 不适用于还原性气体环境.
偶的测量具有范围广的优势（).
热电偶测温与被测对象直接接触，无中间介质因素影响，所以热电偶所测得温度较精准.常用的热电偶从-50-1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金，铁，镍铬），最高可达到2800℃（如钨-徕），故热电
3 3基于热电偶技术的温差直接发电 应用
基于热电偶技术的温差直接发电技术与光电传感器申联制成光伏阵列相类似，利用热电偶传
感器测温原理，将热电偶串联产生的热电劳转换度研究所利用溅射薄膜热电偶对非金属结构表面为电能.研究结果表明，一定范围内，增大瞬态温度进行了研究，为薄膜热电偶用于高温应变的测量提供了理论基础.在温差直接发电技术方面，一些微型温差发电装置已经商品化.日本用BiTe为材料，研制成可利用人体温发电的手表电池，利用人体皮肤表面与环境的温差，通过微型温差发电器将热能转换为电能1K的温差可产生20mV的电压（.微小型半导体温差发电器还可用在生物医学中，作为心脏起搏器的电源等[1].
导体的横截面积（即导体直径）或减小导体长度可提高热电偶的热电动势.但是导体长度太短会减小工作端和自由端的距离，从而使温差无法拉大，反而不利于产生较大的热电动势.所以，在恰当范围内选取合适的导体长度才可使热电动势达到最大.其他条件不变时，增加补偿导线会提高热电动势大小，而且效果显著.
太阳能热电偶发电采用多组热电偶申并联的方式形成的发电组件，在热端用聚光集热法利用太阳能集中加热，提高热电动势的输出.热电偶的热电动势可以根据中间温度定律和参考分度表进行估算.热电偶正向串联时可获得较高热电动势.串联技术中，一般只能采用同一分度号的热 电偶，且将参考端处于同一温度下.热电偶正向串联结构如图2所示，其热电动势的输出等于各热电动势输出之和：
目前，热电偶技术在温差直接发电应用上还存在一定的问题.首先，热电偶存在不稳定性.热电偶技术中，内部结构应力和晶格不均匀性以 及热电偶电极材料的不均匀性将导致热电偶产生一个附加的热电势“"].在工业中，这种附加误差热电动势可以达到20°℃（19）.其次，现有热电直接转换技术存在的局限性.热电技术在兆瓦级发电方面性能较低、欠成熟、成本高.最新研究表明2-2），现有热电材料对热电发电机的性能改进有限，必须将ZT因子提高至2才能使热电技术有较大规模的商业应用.此外，其他一些因素也影响着热电偶发电技术的应用，如热电偶自身的不稳定性（其中包括热电偶的脆化，氧化还原反应等），传热影响等.热电偶所产生的热电动势很小，必须大量串联才可发电，所以技术成本也会提高.
(2)
图2热电偶正向串联发电示意图
4研究现状与存在的问题
5结束语
目前，热电偶已被广泛应用于温度检测，它是工业生产中最常用的温度检测元件之一.热电偶温度测量宽度广，可直接测量-200-1300℃范围内的温度（.热电偶将温度转化为电信号的特征使其适用于温度测量和监控，远距离测量和自动控制等方面".1随着低维材料技术的发展和对测温要求的提高，出现了薄膜热电偶，其快速响应特性为测量瞬变温度提供了可能.2009年韩国学者研究结果表明[1-：薄膜热电偶温度传感器存在尺寸效应，薄膜厚度决定传感器的响应 速率和灵敏度等重要特性.2010年，中国飞机强参与了论文部分内容的讨论，在此表示感谢.
利用基于塞贝克效应的热电偶技术实现温差直接发电是一种绿色环保的发电技术.这种发电装置成本低、无污染，操作技术简单，独立使用或集中规模化发电均可.目前，虽然热电偶技术已相对成熟，但热电偶的温差直接发电应用还处于实验室阶段.特别是热电偶材料、尺寸效应和补偿导线对提高温差直接发电效率的影响，还有待于人们进一步深人研究.
注：项目同组研究的张超、张华、崔进等同学
参考文献
[11]牛开风，利用太阳能的然电偶正向事联发电技术研究[1].中国校外教育，2010（10）：124.[12]黄泽铣，热电偶原理及其检定[M].北京：中国计量出版社，1993.[13]陈浩，邓忠率，余红梅，热电偶测温原理系统及应用[J].制造业自动化，2004 26(9）：68-71.[14]赵源深，杨丽红，薄膜热电偶温度传感器研究进 展[1].传感器与微系统，2012 31（2）：1-7.[15]朱亚明，萍膜温度储感器的研制[D].大选：大连理工大学，2007：4-7.[16] Kishi M Nemoto H Hamao T et al. Micro-thermo-clectric modales and their application to wristwatchesas an energy souroes[ C]. Proceedings of the 18th In-tematial Conference on Thermelectric[ C]. USA;Baltimore 1999 ;301 307.[17] Trit TM. Strtegies for the investigtion of new bulk materials for themeletric applictis[J]. Science 1999 283 ;804.[18]事江城，不均匀温场对热电偶测温的影响[].自动化仪表，1996，17（1）：12-15.[19]家伟标，影响然电偶测量准确度因素的儿点分析[J].工业技术，2012(6):63-65.[20]家杰，王作文，孟小平，热一应力属合场作用下含缺陷压力管道的应力强度因子研究[].森林工程，[21]杨英惠，热电发电材料：工艺及应用机遇[J].现 2010 26(3) :33 ~ 36.代材料动态，2010（4）：1-5.
[1]滕吉文，院小敏，张永谦，地壳内部第二深度空闻（5000~1000m）石油与天然气地球物理勘探：化石能源发展的必由之路[J].地球物理学进展，2010 25(2):359375.[2]程军.传感器及实用检测技术[M].西安：西安电[3]吴旗.传感器与自动检测技术（二版）[M].北京： 子科技大学出版社，2008.高等教育出版社，2006.[4]张以忧，已德纯，刘希东，等，温度传感功能薄膜技术[J].真空科学与技术，2003，23（5）：334-339 [5]Lei JF Herbert AW. Thin-5lm thermocoupies andstrain-gauge technologes snd stain gauge techmologjiesfor engine applitions[ J] . Sen and Actuators A [6]艾秋顺，操金品，热电偶冷端温度智能补偿方法分 1988 65(2) :187 193.析[J].化工自动化及仪表，2012 39（2）：182-185.[7]唐亚明，徐保磊，吕永东，等，然电偶冷端补偿电為的应用[J].物理通报，2007（10）：49-50.[8]夏文查，热电偶冷端补偿[J].工矿自动化，1982(4):18 -19.[9]张涛.聚光集热式太阳能然电偶发电技术研 宽[J].应用能源技术，2011（3）：10-12.[10]QuimmT].温度测量[M].凌善度译.北京：中国计量出版社，1986.
