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热和电之间的和谐产物---热电材料研究进展 河南教育学院物理系 吴旌贺1.主要来源： 1煤、石油等燃料的燃烧； 2汽车排放的废气； 3工业生产化工厂、炼焦厂等过程中产生的废气。 2.大气污染： 1雾霾问题； 2温室效应； 3臭氧层破坏。 联合国提出可持续发展概念，既要满足当代人的需要，又要考虑不损害后代的需要。因此, 今后的能源战略是多元结构的能源系统和高效清洁的能源技术。 3.新型能源材料： （1）燃料电池材料（将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能 手电筒的电池是这种电池的一个例子。在某些情况下，当一个电池用完了以后，人们迫使电流返回流入这个电池，电池内会反过来发生化学反应，因此，电池能够贮存化学能，并用于再次产生电流。 汽车里的蓄电池就是这种可逆电池的一个例子。在一个电池里，浪费的化学能要少得多，因为其中只通过一个步骤就将化学能转变为电能。然而，电池中的化学物质都是非常昂贵的。锌用来制造手电筒的电池。如果你试图使用足够的锌或类似的金属来为整个城市准备电力，那么，一天就要花成本费数十亿美元。 （2）储氢材料（1 金属氢化物 2 配位氢化物 3 纳米材料） 氢是自然界中最普遍的元素，资源无穷无尽-不存在枯竭问题，氢的热值高，燃烧产物是水-零排放，无污染，可循环利用 ，氢能的利用途径多-燃烧放热或电化学发电，储氢材料hydrogen storage material一类能可逆地吸收和释放氢气的材料。最早发现的是金属钯，1体积钯能溶解几百体积的氢气，但钯很贵，缺少实用价值。 （3）核能技术材料（陶瓷核燃料，核反应堆容器材料……） 核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能。 核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料核燃料进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指铀-235、钚-239等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。 （二）目前，热电技术的应用主要有以下几个方面: 1.军事与航天的核电领域 2.工业余热废热利用 3.汽车尾气利用 4.自然热能应用 5.其他方而的应用 二、热电材料及热电效应 1.什么是热电材料 热电材料（也称温差电材料，thermoelectric materials）是一种利用固体内部载流子运动，实现热能和电能直接相互转换的功能材料。热电优值：ZTS2σT/ke+kl 2.什么是热电效应 热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，包括Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应。 （1）Seebeck效应 1823年，德国人Seebeck首先发现当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个接点的温度不同，则两接点间有电动势产生，且在回路中有电流通过，即温差电现象或Seebeck效应。 （2）Peltier效应 1834年，法国钟表匠Pletier发现了Seebeck效应的逆效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时，接点处会发生放热或吸热现象，称为Peltier效应。 （3）Thomson效应 1854年，Thomson发现当电流通过一个单一导体，且该导体中存在温度梯度时，就会产生可逆的热效应，称为Thomson效应。 Peltier效应和Thomson效应都是电制冷（或电制热）效应，但是由于Thomson效应是一种二级效应，实际应用价值不大。 三、太阳能热电-光电复合发电 1.温差发电 温差发电开辟了利用太阳能发电的一个新途径，太阳能温差发电先将太阳辐射能转换为热能，再通过热电效应将热能直接转换为电能，它的发电特点是发电装置本体没有活动部件，不需要传统发电所需的设备如锅炉、汽轮发电机及一些复杂的运行控制设备等，能够大大简化太阳能发电系统的结构，并可以根据负荷灵活调整温差发电模块的数量，满足对中、小发电量的要求，太阳能温差发电与传统的太阳能发电技术相比，还具有使用寿命长、小型化、分散性、适应性强、成本低等优点，是颇具潜力的绿色环保发电方式，具有广阔的应用前景，随着热电材料和温差电组件性能的提高，太阳能温差发电技术的优势将更加明显，必将产生巨大的综合社会经济效应。 2.太阳能热电-光电复合发电 太阳能高效热电—光电复合发电技术对高效热电材料提出的重大需求 瓶颈问题: 1效率问题： 目前热电系统对太阳能利用率低；热电系统对太阳能利用率发展目标ZT~2，这要求热电材料转转效率达到20%以上，但是，目前热电材料转换效率较低，8~10%。 （2）可靠性问题 长期在5000C以上服役环境下，微结构演变和性能劣化。 重大需求： （1）大幅度提高热电材料的效率；