一、熱電偶發(fā)電

熱電偶發(fā)電是指利用熱電效應(yīng)將溫差轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。熱電偶發(fā)電依靠的是兩種不同材質(zhì)形成的熱電偶接在一起，熱電偶的一端加熱，另一端為低溫端，兩端之間就會(huì)產(chǎn)生電壓差，從而實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化。熱電偶發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，但電能轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低。

二、溫差發(fā)電片

溫差發(fā)電片是指采用熱電材料和金屬箔交替堆積組成的薄片，在溫差作用下產(chǎn)生電能的一種器件。溫差發(fā)電片主要原理是溫差產(chǎn)生梯度，使熱電材料兩端具有不同的電勢(shì)差，從而實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化。溫差發(fā)電片成品具有極高的效率和輸出功率密度，應(yīng)用范圍廣泛。

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▲溫差發(fā)電片的結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體制冷片的結(jié)構(gòu)原理一樣

1821年，賽貝克發(fā)現(xiàn)，把兩種不同的金屬導(dǎo)體接成閉合電路時(shí)，如果把它的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度不同的兩個(gè)環(huán)境中，則電路中就會(huì)有電流產(chǎn)生。這一現(xiàn)象稱為塞貝克(Seebeck)效應(yīng)，這樣的電路叫做溫差電偶，這種情況下產(chǎn)生電流的電動(dòng)勢(shì)叫做溫差電動(dòng)勢(shì)。例如，鐵與銅的冷接頭為1℃，熱接頭處為100℃，則有5.2mV的溫差電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。
用半導(dǎo)體制成的溫差電池賽貝克效應(yīng)較強(qiáng)，熱能轉(zhuǎn)化為電能的效率也較高，因此，可將多個(gè)這樣的電池組成溫差電堆，作為小功率電源。它的工作原理是，將兩種不同類型的熱電轉(zhuǎn)換材料N型和P型半導(dǎo)體的一端結(jié)合并將其置于高溫狀態(tài)，另一端開(kāi)路并給以低溫時(shí)，由于高溫端的熱激發(fā)作用較強(qiáng)，空穴和電子濃度也比低溫端高，在這種載流子濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子向低溫端擴(kuò)散，從而在低溫開(kāi)路端形成電勢(shì)差;如果將許多對(duì)P型和N型熱電轉(zhuǎn)換材料連接起來(lái)組成模塊，就可得到足夠高的電壓,形成一個(gè)溫差發(fā)電機(jī)。

塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）又稱作第一熱電效應(yīng)，是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。一般規(guī)定熱電勢(shì)方向?yàn)椋涸跓岫穗娮佑韶?fù)流向正。
熱電現(xiàn)象：在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同，則在回路中將出現(xiàn)電流，稱為熱電流。相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)，其方向取決于溫度梯度的方向。
塞貝克效應(yīng)的成因可以簡(jiǎn)單解釋為在溫度梯度下導(dǎo)體內(nèi)的載流子從熱端向冷端運(yùn)動(dòng)，并在冷端堆積，從而在材料內(nèi)部形成電勢(shì)差，同時(shí)在該電勢(shì)差作用下產(chǎn)生一個(gè)反向電荷流，當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)的電荷流與內(nèi)部電場(chǎng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，半導(dǎo)體兩端形成穩(wěn)定的溫差電動(dòng)勢(shì)。半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)較大，可用作溫差發(fā)電器。

溫差電技術(shù)研究始于20世紀(jì)40年代，于20世紀(jì)60年代達(dá)到高峰，并成功地在航天器上實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)發(fā)電。當(dāng)時(shí)美國(guó)能源部的空間與防御動(dòng)力系統(tǒng)辦公室給出鑒定稱，“溫差發(fā)電已被證明為性能可靠，維修少，可在極端惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作的動(dòng)力技術(shù)”。近幾年來(lái)，溫差發(fā)電機(jī)不僅在軍事和高科技方面，而且在民用方面也表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。
在遠(yuǎn)程空間探索方面，人們從上個(gè)世紀(jì)中葉以來(lái)不斷將目標(biāo)投向更遠(yuǎn)的星球，甚至是太陽(yáng)系以外的遠(yuǎn)程空間，這些環(huán)境中太陽(yáng)能電池很難發(fā)揮作用，而熱源穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠，壽命長(zhǎng)的放射性同位素溫差發(fā)電系統(tǒng)則成為理想的選擇。因?yàn)橐幻队矌糯笮〉姆派湫酝�位素�(zé)嵩�，就能提供長(zhǎng)達(dá)20年以上的連續(xù)不斷的電能，從而大大減輕了航天器的負(fù)載，這項(xiàng)技術(shù)已先后在阿波羅登月艙、先鋒者、海盜、旅行者、伽利略和尤利西斯號(hào)宇宙飛船上得到使用。
此外，據(jù)德國(guó)《科學(xué)畫報(bào)》雜志報(bào)道，來(lái)自德國(guó)慕尼黑的一家芯片研發(fā)企業(yè)研究出的這種新型電池，主要由一個(gè)可感應(yīng)溫差的硅芯片構(gòu)成。當(dāng)這種特殊的硅芯片正面“感受”到的溫度較之背面溫度具有一定溫差時(shí)，其內(nèi)部電子就會(huì)產(chǎn)生定向流動(dòng)，從而產(chǎn)生微電流。負(fù)責(zé)研發(fā)這種電池的科學(xué)家溫納·韋伯介紹說(shuō)，“只要在人體皮膚與衣服等之間有5℃的溫差，就可以利用這種電池為一塊普通的腕表提供足夠的能量”。
雖然溫差發(fā)電已有諸多應(yīng)用,但長(zhǎng)久以來(lái)受熱電轉(zhuǎn)換效率和較大成本的限制,溫差電技術(shù)向工業(yè)和民用產(chǎn)業(yè)的普及受到很大制約。雖然最近幾年隨著能源與環(huán)境危機(jī)的日漸突出，以及一批高性能熱電轉(zhuǎn)換材料的開(kāi)發(fā)成功，溫差電技術(shù)的研究又重新成為熱點(diǎn)，但突破的希望還是在于轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定提高�？梢栽O(shè)想一下，在溫差電池技術(shù)成熟以后，我們的手機(jī)、筆記本電腦電池就可以利用身體與外界的溫度差發(fā)電，而大大延長(zhǎng)其使用時(shí)間。

三、熱電偶發(fā)電和溫差發(fā)電片的效率對(duì)比

1、熱電偶發(fā)電的效率取決于熱電偶的材質(zhì)和溫度差異。常見(jiàn)的熱電偶材料有銅-銅鎳、鉻-鋁，效率一般在2%左右。而溫差發(fā)電片的效率取決于熱電材料的選擇和溫差的大小，現(xiàn)在市面上常見(jiàn)的溫差發(fā)電片效率可以達(dá)到15%~20%，甚至更高。因此，從效率上來(lái)看，溫差發(fā)電片明顯優(yōu)于熱電偶發(fā)電。

2、溫差發(fā)電片發(fā)電效率
‌溫差發(fā)電片的發(fā)電效率通常受到多種因素的影響，包括材料性能、溫差大小、以及技術(shù)發(fā)展水平等。對(duì)于純金屬溫差發(fā)電片，其發(fā)電效率可能受到限制，因?yàn)榧兘饘俨牧媳旧淼臒犭娦阅芸赡懿蛔阋灾С指咝�率的電力轉(zhuǎn)換。例如，早期的溫差發(fā)電機(jī)由‌前蘇聯(lián)在1942年研制成功，其發(fā)電效率僅為1.5%至2%。‌

然而，隨著高性能熱電轉(zhuǎn)換材料的開(kāi)發(fā)，溫差發(fā)電技術(shù)的效率有所提高。例如，使用‌碲化鉍等材料制成的溫差發(fā)電片，在特定條件下可能實(shí)現(xiàn)更高的效率。盡管目前溫差發(fā)電的效率一般不超過(guò)14%，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，有望進(jìn)一步提高。‌

此外，溫差發(fā)電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，如‌海洋溫差發(fā)電，其能量轉(zhuǎn)化效率已達(dá)到3%至4%，并且有潛力進(jìn)一步提高至5%至6%甚至更高。這表明溫差發(fā)電技術(shù)在未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)更高的效率和更廣泛的應(yīng)用。

總的來(lái)說(shuō)，熱電偶發(fā)電和溫差發(fā)電片都是應(yīng)用廣泛的溫差發(fā)電技術(shù)，但它們的原理和效率有所不同。如果追求效率，溫差發(fā)電片是更好的選擇。