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热电装置的发展 2017-6-3 前言 1.1热电装置简介 热电装置基于热电材料的内部效应工作,可实现直接能量转换?热电材料的内部效应包括Seebeck效应、Peltier效应、Thomson效应、Fourier效应、Joule效应?Seebeck效应,又称温差电效应,是指在两种不同导体构成的回路中,如果两个接头处的温度不同,回路中就会产生电动势,加入负载电阻就会产生直流电流?Peltier效应是Seebeck效应的逆效应,是指当直流电通过两种不同导体构成的回路时,节点上将会产生吸热或放热现象?Thomson效应是指当电流在温度不均匀的导体中流过时,导体除产生不可逆的Joule热之外,还要吸收或放出一定的热量?Fourier效应即导热效应?Joule效应即电流的热效应?热电单元是利用热电效应的基本工作单元,由一个P型半导体臂和一个N型半导体臂通过铜片连接而成?实际应用中的热电模块,由多个热电单元在吸放热上并联,在电路上???联组成?如果将热电单元的热端置于高温热源吸热,将热电单元的冷端置于环境中散热,电路中就会产生电动势,加入负载即有电流通过,这就是热电发电机的工作原理；反之,如果给热电单元通入直流电,热电单元热端温度上升并放热,冷端温度下并吸热,这就是热电制冷机和热电热泵的工作原理? 1.2国内研究概况 热电效应是由温度梯度直接获得电能的方式中能量转换效率最高的方式,与太阳能光伏发电技术、燃料电池并称为21世纪三大最具潜力的能源技术?基于热电效应的发电、制冷和供热装置固态、环保、可靠、寿命长、易维护,易于实现小型化和集成化,在航天、交通工具、工业、余热回收、电子制冷等领域,与常规能源装置相比独具优势?介绍半导体热电装置的工作原理、结构特点及应用领域,从非平衡热力学和有限时间热力学两个方面对热电发电机、热电制冷机和热电热泵的热力学研究现状做了全面回顾,重点对其有限时间热力学研究成果做了系统总结,展望热电发电装置热源的开发、多级热电装置、联合热电装置、热电装置的传热强化等热电装置将来的主要发展方向? 在有关热电装置的研究中,一部分集中于现有热电材料的测定、分析、改进或新型热电材料的发明、发现、预测[ ],这一方向属于材料学的研究内容;另一部分则致力于在已有材料的基础和限制下,分析热电装置的工作特性,改进和优化热电装置的系统或结构,以提高热电效应的利用和转换效率[ ],这一方向属于热力学的研究内容?美国著名学者BELL[ ]指出,热电效应的广泛应用不仅要求改善材料内部的能量转换效率,更需要改进系统的总体结构?近年来,对热电效应的有效利用和对热电装置的系统优化已经成为热电效应研究的热点[ ]?许多学者基于不同的热力学理论,以不同的目标,采用不同的分析方法,对热电装置进行了广泛而深入的研究,取得了一系列具有理论价值和实际指导意义的成果,对热电装置的发展与应用起到了重要的推动作用?具体地,从热力学理论上可分为基于非平衡热力学的研究和将非平衡热力学与有限时间热力学相结合的研究,在研究对象上,可分为热电发电机、热电制冷机、热电热泵和联合热电装置;在分析对象上,包含了单个热电单元,单级多个热电单元、两级热电单元和多级热电单元;在分析和优化的范围上,包含了外部传热的优化和内部结构的优化;在研究方法上,包含了理论分析和试验研究?对热电装置基于非平衡热力学[ ]的研究是在给定热电单元端点温度情况下的分析和优化,不考虑装置与热源间的传热,因此只能用于热电单元端点温度不变情况下的计算,具有一定的局限性?实际应用中,往往是热源温度给定,热电单元端点温度因参数变化而变化,非平衡热力学的分析结果不再适用?有限时间热力学[ ]以热力学与流体力学、传热学及其他传输工程理论相结合为研究手段,以寻求热力过程的性能极限、减少系统不可逆性为主要目标,在有限时间和有限尺寸约束下,优化存在传热传质和流体流动不可逆性的实际热力系统,获得了许多既有理论价值、又有实用价值的成果,大大推进了热力学理论与实际装置和过程的结合?将有限时间热力学应用于热电装置的研究,充分考虑有限速率热交换下的外部传热损失,以换热器总热导率和热导率分配描述装置与热源间的有限速率传热,分析热电单元端点温度变化,进而确定装置的性能,得到了一系列不同于传统分析结果的新结论和一系列更接近实际,更具普适意义的新成果? 1.3国外研究概况 1.2.1丹麦 丹麦1930年在哥本哈根建立了统一的区域供热网络,区域供热由热电厂的副产品性质上升至与供同等重要水平?1973年石油危机后开始大力发展集中供热,大中城市建立了大量热电厂,一些小城市也开始建设热电厂?从1985年以来,丹麦热电建设以大机组为主,但工业区和城市小型社区也发展中小热电机组,促使火电厂节能改造,对外供热,促进集中供热的锅炉房安装小汽轮机发电