熱電材料項(xiàng)目分析課件

1、熱電空調(diào)項(xiàng)目分析報(bào)告一、項(xiàng)目背景進(jìn)入21 世紀(jì)以來，隨著全球環(huán)境污染和能源危機(jī)的日益嚴(yán)重，以及對(duì)人類可持續(xù)發(fā)展的廣泛關(guān)注，開發(fā)新型環(huán)保能源替代材料已越來越受到世界各國(guó)的重視。1、能源短缺隨著全球工業(yè)化的進(jìn)程，人類對(duì)能源消耗的需求不斷增長(zhǎng)，回顧近100 年能源工業(yè)的發(fā)展歷史，可以清楚地看到，整個(gè)能源工業(yè)的消耗主要以化石類能源為主。人類正在消耗地球50 萬年歷史中積累的有限能源資源，煤和石油作為能源的載體，極大地解放了生產(chǎn)力，推動(dòng)了全球工業(yè)化的進(jìn)程，同時(shí)也向人類敲響了警鐘：常規(guī)能源己面臨枯竭。由于常規(guī)能源的有限性和分布的不均勻性，造成了世界上大部分國(guó)家能源供應(yīng)不足，不能滿足其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。從長(zhǎng)遠(yuǎn)

2、來看，全球已探明的石油儲(chǔ)量只能用到2020 年，天然氣也只能延續(xù)到2040 年左右，即使儲(chǔ)量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。因此，如不盡早設(shè)法解決化石能源的替代能源，人類遲早將面臨化石燃料枯竭的危機(jī)局面。2、環(huán)境污染當(dāng)前由于燃燒煤、石油等化石燃料，僅我國(guó)每年就將有近百萬噸C O 2、二氧化硫、氮氧化物等有害物質(zhì)拋向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴(yán)重污染，導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨，惡化地球環(huán)境。直接影響人類的身體健康和生活質(zhì)量，嚴(yán)重污染水土資源。這些問題最終將迫使人們改變能源結(jié)構(gòu)，依靠利用太陽能等可再生潔凈能源來解決。3、溫室效應(yīng)化石能源的利用不僅造成環(huán)境污染，同時(shí)由于排放大量的溫室氣體而產(chǎn)生溫室效應(yīng)，引起全

3、球氣候變化。這一問題已提到全球的議事日程，其影響甚至已超過了對(duì)環(huán)境的污染，有關(guān)國(guó)際組織已召開多次會(huì)議，限制各國(guó)C O 2 等溫室氣體的排放量。二、 熱電材料介紹什么是熱電材料呢？熱電材料是一種利用固體內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料。人們對(duì)熱電材料的認(rèn)識(shí)具有悠久的歷史。1823年，德國(guó)人塞貝克（Seebeck）發(fā)現(xiàn)了材料兩端的溫差可以產(chǎn)生電壓，也就是通常所說的溫差電現(xiàn)象。1834年，法國(guó)鐘表匠珀耳帖（Peltier）在法國(guó)物理學(xué)和化學(xué)年鑒上發(fā)表了他在兩種不同導(dǎo)體的邊界附近（當(dāng)有電流流過時(shí)）所觀察到的溫差反常的論文。這兩個(gè)現(xiàn)象表明了熱可以致電，而同時(shí)電反過來也能轉(zhuǎn)變成熱或者用來

4、制冷，這兩個(gè)現(xiàn)象分別被命名為塞貝克效應(yīng)和珀耳帖效應(yīng)。它們?yōu)闊犭娔芰哭D(zhuǎn)換器和熱電制冷的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，熱電材料的應(yīng)用很神奇，它通入電流之后會(huì)產(chǎn)生冷熱兩端，故可以用來冷卻也可以用來保溫。而如果同時(shí)在兩端接觸不同溫度時(shí)，則會(huì)在內(nèi)部回路形成電流，溫差越大產(chǎn)生的電流越強(qiáng)，這就啟發(fā)了一種新思維：用熱電材料接收外界熱源來產(chǎn)生電力。這種概念并不是空中樓閣，目前日本和德國(guó)都已開發(fā)出利用人體體溫與外界環(huán)境溫度差異，進(jìn)而產(chǎn)生電力來驅(qū)動(dòng)手表。熱電材料的選擇可依其運(yùn)作溫度分為三類：1、碲化鉍及其合金：這是被廣為使用于熱電致冷器的材料，其最佳運(yùn)作溫度450。2、碲化鉛及

5、其合金：這是被廣為使用于熱電產(chǎn)生器的材料，其最佳運(yùn)作溫度大約為1000。3、硅鍺合金：此類材料亦常應(yīng)用于熱電產(chǎn)生器,其最佳運(yùn)作溫度大約為1300。三、熱電材料優(yōu)缺點(diǎn)制造熱電發(fā)電機(jī)或熱電致冷器的材料稱為熱電材料，是一種能實(shí)現(xiàn)電能與熱能交互轉(zhuǎn)變的材料。其優(yōu)點(diǎn)如下:（1）體積小,重量輕，堅(jiān)固,工作中無噪音;（2）溫度控制可在0.1之內(nèi);（3）不必使用CFC(CFC氯氟碳類物質(zhì)，氟里昂。被認(rèn)為會(huì)破壞臭氣層)，不會(huì)造成任何環(huán)境污染;（4）可回收熱源并轉(zhuǎn)變成電能(節(jié)約能源)，使用壽命長(zhǎng)，易于控制；（5）節(jié)能效果明顯。雖然其優(yōu)點(diǎn)眾多，但利用熱電材料制成的裝置其效率(10%)仍遠(yuǎn)比傳統(tǒng)冰箱或發(fā)電機(jī)小。所以若能

6、大幅度提升這些熱電材料的效率，將對(duì)廣泛用于露營(yíng)的手提式致冷器，太空應(yīng)用和半導(dǎo)體晶片冷卻等產(chǎn)生相當(dāng)重要的影響。另外，一般來說熱電材料的力學(xué)性能較差，以Bi2Te3為例，該材料的結(jié)構(gòu)為-Te-Bi-Te-Te-Bi-Te-層狀結(jié)構(gòu)，在Te-Te之間為van der Waals bonding，容易斷裂，所以BiTe材料在收到壓力時(shí)Te-Te層易產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致斷裂，變形。這使得該材料的使用壽命以及范圍大大降低。四、熱電材料應(yīng)用熱電制冷應(yīng)用：1、軍工方面:半導(dǎo)體制冷應(yīng)用在潛艇空調(diào)及其它特種船舶空調(diào)上早在六十年代美國(guó)就已開始大規(guī)模研究。在國(guó)內(nèi)一九六七年開始了將半導(dǎo)體制冷應(yīng)用到艦艇上作為空調(diào)器的科研項(xiàng)目。

7、由于目前半導(dǎo)體制冷材料十分昂貴,整機(jī)造價(jià)很貴,不宜民用。在導(dǎo)彈、雷達(dá)裝置中的紅外探測(cè)器件冷卻上使用半導(dǎo)體制冷已較為廣泛由于降低了紅外探測(cè)器的工作溫度,可大大提高信噪比,從而提高了使用效率。這類制冷器尺寸在310-8m2左右,制冷功率為幾個(gè)毫瓦級(jí),采用半導(dǎo)體制冷是唯一可行的方案，國(guó)內(nèi)也有這種系列產(chǎn)品的生產(chǎn)。多功能頭盔在國(guó)外已應(yīng)用于宇宙飛行。其中一個(gè)重要要功能即為半導(dǎo)體制冷器對(duì)頭部的恒溫。尤其在宇宙飛行中,艙位有限,這種有恒溫功能的頭盔起到了良好作用。由于坦克艙內(nèi)溫度高達(dá)40,為改善駕駛員的操作條件,有清醒的頭腦,來提高作戰(zhàn)能力。這種對(duì)駕駛員頭部能達(dá)到冷卻、降溫的頭盔是一種極好的應(yīng)用。其它如應(yīng)用在

8、航空設(shè)備的冷卻上,如對(duì)某設(shè)備組件的空調(diào)、冷卻系統(tǒng),因體積小、調(diào)節(jié)方便而廣泛應(yīng)用。2、電子儀器方面在大規(guī)模集成電路、光敏器件、功率元件、高頻晶體竹等電子元器件的冷卻上,半導(dǎo)體制冷器已被廣泛采用。在國(guó)外也大規(guī)模采用半導(dǎo)體制冷來達(dá)到這些元器件冷卻的目的。隨著科學(xué)技術(shù)向高精尖發(fā)展,對(duì)各電子元、器件的溫度性能要求越來越苛刻,而利用半導(dǎo)體制冷器件的正反向工作特性,創(chuàng)造一個(gè)從+8050較寬的高低溫條件,來測(cè)試電子元器件的性能的高低溫測(cè)試設(shè)備是必不可少的。因?yàn)橛冒雽?dǎo)體制冷器配套而成的這種高低溫測(cè)試設(shè)備體積小,能逐點(diǎn)控溫,操作方便。對(duì)參量放大器,變?nèi)荻O管的冷卻是半導(dǎo)體制冷發(fā)揮作用的獨(dú)到之處。衛(wèi)星地面站是跟蹤衛(wèi)

9、星并接收衛(wèi)星信號(hào)的一個(gè)綜合設(shè)備,在該裝置中配以半導(dǎo)體制冷,提高信號(hào)的接收能力和清晰率.低溫紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射源,作為一種計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)溫度,可精密控制溫度作標(biāo)準(zhǔn)背景的必不可少的儀器設(shè)備,是一種高精度的設(shè)備,半導(dǎo)體制冷器是該儀器中的一個(gè)重要部件,現(xiàn)該產(chǎn)品在國(guó)外同類型產(chǎn)品中已達(dá)到國(guó)際水平。半導(dǎo)體制冷熱電偶零點(diǎn)基準(zhǔn)儀的出現(xiàn)和使用是對(duì)傳統(tǒng)使用的以冰塊作為零度基準(zhǔn)點(diǎn)的重大創(chuàng)新，使操作臺(tái)因沒有水和冰塊的容器而顯得干凈、干燥。它操作方便,零點(diǎn)準(zhǔn)確。對(duì)熱攝像儀,電沉攝像管和電視攝像儀的冷卻,配用半導(dǎo)體制冷器最為理想。達(dá)到了提高攝像的清晰度和分辨率的目的,又不至增加儀器的體積和重星。微型半導(dǎo)體制冷器在紅外探測(cè)器上的應(yīng)用正在

10、不斷擴(kuò)大。把硫化侶、硒化侶與二級(jí)微型半導(dǎo)體制冷器組裝而成的該產(chǎn)品具有探測(cè)率高,體積小,工藝結(jié)鉤簡(jiǎn)單等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用在飛機(jī)噴管、高壓電纜過熱點(diǎn)、森林防火、火車熱軸、工業(yè)過程控制等部門。在激光信頻發(fā)生器冷卻裝置上,應(yīng)用半導(dǎo)體制冷由上海激光研究所已獲得成功，作為一種儀器該研究所已推向?qū)嵱?。光電倍增管上?yīng)用了半導(dǎo)體制冷器的冷卻,可使管上暗流降低到二十分之一至三十分之一，從而提高了光電倍增管在該儀器中的技術(shù)性能。為保證電子計(jì)算機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的穩(wěn)定性和精確度,對(duì)電子計(jì)算機(jī)內(nèi)部的冷卻,即將一水導(dǎo)體制冷器作為計(jì)算機(jī)的一部份,安裝在其內(nèi)部,亦可對(duì)個(gè)別要求高的元器件單獨(dú)冷卻,改善這些元器件的工作環(huán)境溫度,從而提高

11、了計(jì)算機(jī)的精度和使用壽命。新興的光導(dǎo)纖維通訊在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速。在應(yīng)用半導(dǎo)體制冷器冷卻某部件后,大大提高了通訊部什的性能現(xiàn)己接近國(guó)外進(jìn)口設(shè)備部件中同類型的半導(dǎo)體制冷器件的性能。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,為更新通訊系統(tǒng)的陳舊設(shè)備,提高通訊效率，半導(dǎo)體制冷將在新一代的光導(dǎo)纖維通訊系統(tǒng)中起著不可估量的作用。大型變壓器中油冷劑的含水問題,一直是難以解決的關(guān)鍵。近二年半導(dǎo)體制冷應(yīng)用的不斷擴(kuò)大,延伸,終于選擇采用半導(dǎo)體制冷器作為變壓器的一個(gè)附件,達(dá)到對(duì)油冷劑除濕的口的,解決了這個(gè)老大難問題，由于它連續(xù)工作,無噪音,適用于安放在變壓器房?jī)?nèi)主作,目前已廣泛應(yīng)用在各大型變電端中以替代傳統(tǒng)的硅膠除濕方法連續(xù)運(yùn)行。3、石

12、油化工方面半導(dǎo)體制冷在石油產(chǎn)品測(cè)定儀器上的應(yīng)用已使該儀器成為一項(xiàng)指定專用的標(biāo)準(zhǔn)儀器。各油庫(kù)和油站必用的測(cè)定儀器采用三級(jí)半導(dǎo)體制冷器從+20-70可逐點(diǎn)恒溫,它代替了二氧化碳干冰制冷、操作方便,冷卻速度快。尤其適用于缺少冷劑的地區(qū)。除此外,該儀器還可用作其它領(lǐng)域的各種液相,油相的低溫實(shí)驗(yàn)。大批雄偉的高層建筑拔地而起,標(biāo)志著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展,但消防滅火器具迫切需要改進(jìn)。有關(guān)消防滅火器具研究采用了由半導(dǎo)體制冷器配置成的對(duì)滅火制劑的低溫性質(zhì)和性能測(cè)試的儀器?，F(xiàn)已規(guī)定作為對(duì)消防滅火制劑測(cè)定的專用儀器,并推廣應(yīng)用于各個(gè)消防系統(tǒng), 精密恒溫裝置是利用半導(dǎo)體制冷有較寬的溫度范圍,它有正反向性工作的特性,

13、從低于室溫至高于室溫和連續(xù)控溫的特點(diǎn),利用半導(dǎo)體制冷器配套成的這種低溫測(cè)試臺(tái),體積小,控溫穩(wěn)定，操作方便,廣泛應(yīng)用于各實(shí)驗(yàn)寶。為控制化學(xué)反應(yīng),生物制品,細(xì)胞培養(yǎng)等部門提供了良好的條件。其它如標(biāo)準(zhǔn)電器(電阻、電容、電池)的恒溫槽,分光光度計(jì)試槽恒溫,半導(dǎo)體光刻，化學(xué)蝕刻恒濕槽,比重測(cè)定器等量器的恒溫制冷。蒸餾與分餾的主要關(guān)鍵技術(shù),是在于對(duì)溫度的控制上。而蒸餾和分餾的裝置在石油及化工的生產(chǎn)過程中,以及實(shí)驗(yàn)室,為達(dá)到不同產(chǎn)品在不同溫度中分離的目的,而采用半導(dǎo)體制冷的設(shè)備是一種理想的設(shè)備。它體積小,操作方便,控溫穩(wěn)定,可深低溫,改革了一直傳統(tǒng)用冰瓶來操作的不穩(wěn)定方法，很有使用價(jià)值.石油低溫粘度,齒輪油

14、表觀粘度測(cè)定儀,使用更為直觀方便,可直接透過窗口觀察冷阱內(nèi)油品在低溫下的物理狀態(tài).還有液體密度測(cè)驗(yàn)器等，又開發(fā)了在石油油品測(cè)定中的新應(yīng)用。4、醫(yī)療、衛(wèi)生、環(huán)保方面半導(dǎo)體制冷器在醫(yī)療衛(wèi)生中的應(yīng)用是較早的。利用半導(dǎo)體制冷器的體積小,能降溫的特點(diǎn),制成冷帽、冰毯等降溫裝置,可局部也可全身對(duì)高燒病人降溫。以及低溫麻醉器,體外循環(huán)用半導(dǎo)體制冷冷卻器,對(duì)病人在手術(shù)進(jìn)行降低體溫,減慢血液循環(huán),減少病人痛苦,為方便手術(shù),有著優(yōu)異的作用，還可制成深度冷凍器,對(duì)皮膚瘡傷的冷療器,能抑制新組織不規(guī)則的生長(zhǎng),從而使新生皮膚平整光滑。醫(yī)療工業(yè)中對(duì)生物制品的合成和提取,對(duì)溫度的要求較高。這些生物制品反應(yīng)槽,由于體積比其它

15、控溫槽來得小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,其使用控溫穩(wěn)定,又可靈活組合成單槽和多槽,單控和群控,深受生物制品行業(yè)的歡迎。應(yīng)用半導(dǎo)體制冷的白內(nèi)障摘除器,進(jìn)行白內(nèi)障摘除的優(yōu)點(diǎn)是手術(shù)力便,制冷功率大,冷卻速度快,通電三分鐘左右,冷頭就可結(jié)霜,即可以做手術(shù)。尤其在農(nóng)村中,因?yàn)榭梢源娓杀玫綉?yīng)用,并有推廣價(jià)值。目前在生物、植物、獸牧等研究單位,和各醫(yī)院病理科和臨床切片化驗(yàn)室都廣為使用。并比國(guó)外進(jìn)口的同類切片機(jī)更容易操作,價(jià)格便宜。對(duì)貴重藥品,血漿儲(chǔ)運(yùn)罐,采用半導(dǎo)體制冷器做成存放藥品,血漿的容器,可長(zhǎng)期恒溫保存。特點(diǎn)是體積小、運(yùn)輸方便、攜帶方便。在新興的環(huán)境大氣監(jiān)察儀器上,半導(dǎo)體制冷開始作為氣相分析在該監(jiān)察儀器的低溫部

16、得到大量應(yīng)用。為X光機(jī)配置采用半導(dǎo)體制冷作恒溫槽來顯影,定影在目前市場(chǎng)上已有產(chǎn)品并廣為應(yīng)用,深受歡迎。因無噪音,操作方便,溫控穩(wěn)定,顯影效果好。5、汽車方面電動(dòng)汽車因其綠色環(huán)保、節(jié)約能源日益受到各國(guó)學(xué)術(shù)界的關(guān)注。純電動(dòng)汽車的電能非常寶貴，如果仍然采用燃油車壓縮式的空調(diào)，能耗高，對(duì)車載電源系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)設(shè)計(jì)冷風(fēng)系統(tǒng)，既滿足了人在車內(nèi)的舒適性，同時(shí)又節(jié)能、環(huán)保。半導(dǎo)體制冷空調(diào)器與壓縮式制冷空調(diào)器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，工作時(shí)無噪聲、無磨損、無震動(dòng)、壽命長(zhǎng)、維修方便，可靠性高；(2)不使用制冷劑，故無泄漏、無污染；(3)直流供電，電流方向轉(zhuǎn)換方便

17、，可冷熱兩用；(4)重量、尺寸較小，便于安裝；(5)熱慣性小，負(fù)荷可調(diào)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)和控制方便；(6)工作狀態(tài)不受重力場(chǎng)的影響。在最近研究表明，與太陽能動(dòng)力結(jié)合的半導(dǎo)體制冷空調(diào)積極推動(dòng)新能源汽車的發(fā)展。如果改變半導(dǎo)體制冷裝置的電流方向，可以作為取暖裝置，能夠用做汽車室內(nèi)的暖空調(diào)，或者用于去除前擋風(fēng)玻璃的霜凍，提高駕駛員的視覺效果。半導(dǎo)體冰箱起源于俄羅斯在航天飛行上對(duì)飛行器的冷熱需求而做的發(fā)明，制冷制熱均可。在普遍情況下半導(dǎo)體冰箱制冷其最多能夠達(dá)到零下5，但是其制熱溫度卻能夠達(dá)到65，是其它的保暖、保溫冰箱所無法比擬的。半導(dǎo)體止磕器近幾年在國(guó)內(nèi)外已廣為應(yīng)用.在國(guó)外并作為配套用具在汽車、輪船、火車的駕

18、駛室和駕駛艙內(nèi)。當(dāng)半導(dǎo)體制冷的止磕器,接觸在額頭上,或太陽穴上,便可對(duì)該處皮下大血管血液起到冷卻的刺激作用,以消除磕睡,所以適合用于長(zhǎng)途汽車、火車、輪船以及火車等駕駛員。這個(gè)冷熱均制的優(yōu)勢(shì)使得半導(dǎo)體冰箱能夠?yàn)殚L(zhǎng)途開車的人帶來極大的便利。用于出門旅游及野餐，可以充分發(fā)揮其輕便的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)代汽車隨著電子技術(shù)及各類型車用電子裝置的組裝技術(shù)發(fā)展，成為了具有高度整合性的電子系統(tǒng)。目前汽車電子設(shè)備中所使用的功率元件，在經(jīng)過一段長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行通電，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部或機(jī)殼的溫度有可能會(huì)超過100，大大地增加車用電子設(shè)備的故障概率。因此采用半導(dǎo)體冷卻系統(tǒng)可以使它們維持低溫或恒溫的工作條件。例如對(duì)車內(nèi)大規(guī)模集成電路、光敏器

19、件、功率器件、高頻晶體管等電子元器件的冷卻或恒溫。在現(xiàn)在汽車高精尖科技領(lǐng)域內(nèi)，常對(duì)各種電子元器件的溫度性能要求很高，半導(dǎo)體制冷其溫控精度高的特點(diǎn)正可以滿足其要求。6、家用電器方面半導(dǎo)體制冷利用在牛奶、啤酒的冰鎮(zhèn)器,以及冷杯等夏天用家用器具正在逐步開發(fā)中。對(duì)進(jìn)一步開發(fā)和推向民用的廣寬領(lǐng)域有著積極的意義。溫差發(fā)電應(yīng)用：1、太陽能發(fā)電太陽能是人類可直接利用的清潔能源之一。在尋找新能源的探索中，太陽能無疑是目前最好的選擇。溫差發(fā)電開辟了利用太陽能的一個(gè)新途徑。太陽能溫差發(fā)電技術(shù)是先通過集熱器將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，再利用塞貝克效應(yīng)(溫差電效應(yīng))將熱能轉(zhuǎn)換為電能。傳統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電方式都用發(fā)電機(jī)或蒸汽輪機(jī)作

20、原動(dòng)機(jī)，噪聲很大，并普遍造成環(huán)境的變遷與污染。此外，這些帶運(yùn)動(dòng)部件的系統(tǒng)都包含了一定的維護(hù)工作量和必須的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，只有在發(fā)電容量較大的場(chǎng)合才能獲得良好的技術(shù)指標(biāo)。無運(yùn)動(dòng)部件、無噪聲且不需要維護(hù)的溫差發(fā)電技術(shù)則能夠大大簡(jiǎn)化太陽能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并可以根據(jù)負(fù)荷靈活調(diào)整溫差發(fā)電模塊的數(shù)量，滿足對(duì)中、小發(fā)電量的要求。2004年泰國(guó)學(xué)者研究了一種太陽能溫差發(fā)電屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)，他在屋頂設(shè)置了熱電轉(zhuǎn)換器件，利用銅板吸收太陽能輻射熱使熱電轉(zhuǎn)換器件的熱端溫度升高，與環(huán)境之間形 成溫差，進(jìn)行發(fā)電。近年，武漢理工大學(xué)張清杰教授同日本科學(xué)家新野正之合，提出了將基于高效熱電材料的太陽能熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)與基于光伏電池材料的太

21、陽能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行集成復(fù)合的太陽能熱電 光電復(fù)合發(fā)電技術(shù)的新的科學(xué)構(gòu)想，得到我國(guó)NSFC和日本JST重大國(guó)際合作研究項(xiàng)目的支持，研制出了具有中日雙方各50知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)際上第一臺(tái)太陽能熱電光電復(fù)合發(fā)電的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并試驗(yàn)成功，開辟了太陽能全光譜 (2003000nm)直接高效發(fā)電技術(shù)的新途徑。2、工業(yè)余熱發(fā)電隨工業(yè)化進(jìn)程的加快，各種制造業(yè)和加工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣和廢液成倍增加，其中的余熱相當(dāng)可觀，工業(yè)余熱的合理利用是解決能源短缺問題的一個(gè)重要方面。利用溫差發(fā)電技術(shù)進(jìn)行工業(yè)余熱發(fā)電，可降低成本提高能源的利用率，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效應(yīng)。 2006年我國(guó)工業(yè)耗能175136.6萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，工業(yè)

22、生產(chǎn)能源利用效率的提高對(duì)國(guó)家整體能源利用效率的提高具有決定性的作用。而其中，工業(yè)余熱的回收利用是提高工業(yè)能源利用效率的重要途徑。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，一個(gè)年產(chǎn)鋼 鐵500萬噸的鋼鐵企業(yè)僅燒結(jié)及飽和蒸汽兩項(xiàng)余熱發(fā)電，即可全年發(fā)電2.8億度，可直接為企業(yè)減少生產(chǎn)成本1億多元。應(yīng)用溫差發(fā)電技術(shù)回收利用工業(yè)余熱能量，無能源成本投入，一次性成本為系統(tǒng)設(shè)備制造與安裝成本。因?yàn)?，溫差發(fā)電技術(shù)無工作介質(zhì)、無運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)運(yùn)行成本將十分低廉。當(dāng)前，溫差發(fā)電器件在實(shí)驗(yàn)室條件下的熱電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到14以上，按照50的轉(zhuǎn)換因數(shù)計(jì)算，實(shí)際余 熱回收系統(tǒng)的熱電效率可以達(dá)到7以上。按照40的余熱資源率計(jì)算，2006年溫差發(fā)電技術(shù)可

23、為工業(yè)部門節(jié)省能源4900萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。利用溫差發(fā)電技術(shù)進(jìn)行工業(yè)余熱發(fā)電，可以提高能源利用率，降低成本，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)能夠減少污染物排放，改善環(huán)境。3、汽車廢熱利用隨著我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛消耗的能源與 日俱增，汽車的節(jié)能也越來越受關(guān)注。然而，以現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)指標(biāo)評(píng)估，燃油中60左右的能量沒有得到有效利用，絕大部分以余熱的形式排放到大氣中，回收這些能量進(jìn)行循環(huán)利用作為一種最直接的節(jié)能方式越來越被大家所重視。因此利用溫差發(fā)電技術(shù)，回收汽車尾氣余熱發(fā)電是一個(gè)很好的節(jié)能途徑，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景。近年來，車用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱溫差發(fā)電技術(shù)發(fā)展很快，轉(zhuǎn)換規(guī)模在數(shù)十瓦至上千瓦之間在國(guó)外，GM、

24、BMW、Nissan和Delphi等汽車業(yè)巨頭也都在作這方面的研究，他們使用價(jià)格昂貴的高溫?zé)犭姴牧咸嵘裏犭娹D(zhuǎn)換效率。BMW以高溫?zé)犭姴牧细采w發(fā)動(dòng)機(jī)外壁直接從發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體回收熱量，能夠回收十幾千瓦的能量。據(jù)介紹，高效回收的電能將會(huì)超出一 輛汽車所需要的正常用電。多出來的這部分可以儲(chǔ)存作為汽車輔助動(dòng)力從而形成混合動(dòng)力區(qū)驅(qū)動(dòng)車輛，而這也是余熱回收發(fā)電技術(shù)的最終目的。4、其他分散熱源海洋溫差能，地?zé)崮艿茸匀粺岫际亲匀毁x予人類取之不盡的綠色能源，溫差發(fā)電技術(shù)能夠直接將上述的新能源轉(zhuǎn)化為電能。此外，利用人體與環(huán)境的溫差，或者利用人沐浴后浴缸中剩余水的余熱，也可以進(jìn)行溫差發(fā)電，提供個(gè)人電器的能量消耗。五、熱電

25、材料研究現(xiàn)狀熱電材料塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)發(fā)現(xiàn)距今已有100余年的歷史，無數(shù)的科學(xué)家已對(duì)其進(jìn)行了深入而富有成效的研究和探索，取得了輝煌的成果。美國(guó)GMZ Energy公司2008年4月22日宣布推出一款突破性的新型材料，有助于制造新一代更加清潔、能效更高的產(chǎn)品。這種新型熱電材料使用了納米技術(shù)，清潔環(huán)保，能夠有效地將廢棄的熱能轉(zhuǎn)化為電能，從而為綠色消費(fèi)品及工業(yè)品的發(fā)展鋪平道路，推動(dòng)未來的可持續(xù)發(fā)展。該款GMZ材料功能眾多、應(yīng)用廣泛。它能優(yōu)化電冰箱及空調(diào)的制冷功能，并能利用汽車尾氣排放系統(tǒng)的熱源產(chǎn)生動(dòng)力。由于GMZ 材料已經(jīng)研發(fā)成功，并具有成本效益及易于采用等特點(diǎn)，因此具備商業(yè)可行性。它可以用于現(xiàn)

26、今許多產(chǎn)品，能減少能源消耗和溫室氣體排放。美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)2011年2月16日?qǐng)?bào)道，美國(guó)能源部阿姆斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，只需在一種熱電材料中摻雜1%的稀土元素鈰或鐿，就可將這種熱電材料的轉(zhuǎn)換效率提高25%。該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人伊維根列文表示：“這是科學(xué)家首次如此大幅度地提高熱電轉(zhuǎn)換效率。”早在19世紀(jì)初，熱電材料就為人們所知，目前，被人們廣為接受且實(shí)際應(yīng)用效果良好的一組熱電材料包括碲、銻、鍺和銀（TAGS）。阿姆斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家去年就觀察到，在TAGS材料中增加1%稀土元素鈰或鐿能顯著提高其轉(zhuǎn)換效率。列文表示：“稀土元素改變了熱電材料的晶體結(jié)構(gòu)，或許因此改變了其熱電性能?！鄙鲜兰o(jì)50年代，在科學(xué)

27、家的努力下，熱電轉(zhuǎn)換效率取得了一定的突破，并在太空探索領(lǐng)域找到了用武之地。日本東北大學(xué)研究生院研究科應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)梶谷剛教授的研究小組公開了一款多層型熱電元件的試制品。該試制品由錳硅類材料制成的熱電材料片材層疊而成。已在東京大學(xué)產(chǎn)學(xué)協(xié)作推進(jìn)本部于2012年3月15日在東京都千代田區(qū)舉行的“東北大學(xué)革新展”上展出。此次的展示品的P型半導(dǎo)體采用的是MnSi（錳硅類）材料，N型半導(dǎo)體采用的是Mn1-xFexSiy（錳鐵硅類）材料。具體的制造工序如下：分別調(diào)整N型和P型熱電材料的成分，并將其煅燒作為原材料，將原材料粉碎后利用通常的刮板法（Doctor Blade Method）進(jìn)行片狀成型處理。然后在

28、片材上用絲網(wǎng)印刷法涂覆絕緣膏，并反復(fù)將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體以及絕緣膏交替層疊。絕緣膏不涂布在片材上的高溫側(cè)和低溫側(cè)的端部，而是通過絲網(wǎng)印刷讓N型與P型形成結(jié)合在一起的狀態(tài)。這樣，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體就形成了串聯(lián)排列的壓電元件。對(duì)片材的層疊品進(jìn)行壓制后，在生坯狀態(tài)下，按照所需尺寸的元件形狀，沿垂直于層疊面的方向?qū)⑵淝袛?。然后進(jìn)行燒結(jié)，在形成高溫側(cè)和低溫側(cè)的端部形成電極，并用玻璃密封材料在外側(cè)進(jìn)行絕緣處理，最終便可形成熱電元件。此次的試制品中，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的片材厚度都為150m，一對(duì)N型和P型片材的厚度約為300m。絕緣層的厚度為15m。此次通過層疊30對(duì)N型和P型半導(dǎo)體，試制出了1

29、0mm見方、厚5mm等多個(gè)規(guī)格的層疊元件，并進(jìn)行了性能評(píng)測(cè)。據(jù)介紹，此次的錳鐵硅類材料制造的熱電元件“可在室溫到850K的溫度范圍內(nèi)使用”。錳硅鍶類的熱電材料制成的熱電元件“可在室溫到750K的溫度范圍內(nèi)使用”。此前的熱電元件一直采用由大量P型與N型半導(dǎo)體的長(zhǎng)方體交替排列的形式。東北陶瓷解釋稱，這種配置的“封裝密度低，容易導(dǎo)致高成本”。另外，原來普遍采用Bi-Te（鉍碲）類材料，而錳硅類材料資源豐富，因此此次的技術(shù)還極有望降低材料成本。在2012年的英國(guó)自然雜志刊登報(bào)告說，美國(guó)西北大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究人員開發(fā)出了新型熱電材料。這種材料的基礎(chǔ)是碲化鉛，它本身就具有熱電轉(zhuǎn)換性質(zhì)，研究人員又進(jìn)行了一系列改

30、造，先在其中加入鈉原子，提高其導(dǎo)電性；然后加入碲化鍶，降低其導(dǎo)熱性；還在材料上開了許多縫隙，進(jìn)一步降低導(dǎo)熱性，而電子仍能移動(dòng)。最后得到的新材料熱電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15。據(jù)介紹，這是熱電材料中迄今最高的“熱變電”效率，研究人員認(rèn)為，在這個(gè)效率的基礎(chǔ)上，也許兩三年之后就能開發(fā)出一些應(yīng)用這種熱電材料的實(shí)用產(chǎn)品。美國(guó)西北大學(xué)及密歇根大學(xué)的研究人員在2014年4月16日發(fā)行的學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表論文稱，在將溫度差轉(zhuǎn)換成電力的熱電轉(zhuǎn)換材料方面獲得了高達(dá)2.6的ZT值。ZT值是表示熱電轉(zhuǎn)換元件性能的系數(shù)，數(shù)值越大說明熱電轉(zhuǎn)換性能越高。原來的最高值為2.4，于1999年公布，此次刷新了這個(gè)保持了15年的紀(jì)錄

31、。此次開發(fā)出的材料是硒化錫（SnSe）單晶體，并不是新材料。高達(dá)2.6的ZT值是在斜方晶系晶體的b軸方向上測(cè)量得到的，而c軸（主軸）方向上為2.3，a軸方向更是大幅降低至0.8。ZT值所呈現(xiàn)的如此之大方向依存性，原因在于Sn與Se的結(jié)合形態(tài)。在b軸方向上，Sn與Se形成鋸齒狀曲折的結(jié)合形狀，晶格振動(dòng)（聲子）非常小，使電子容易流動(dòng)。1999年發(fā)布的ZT值為2.4的材料采用超晶格結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中，碲化鉍（Bi2Te3）與碲化銻（Sb2Te3）以非常薄的狀態(tài)相互層積。這種材料很難實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，在實(shí)用方面無法發(fā)揮出色的性能。而此次的材料價(jià)格低廉，材料結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單，因此將會(huì)給產(chǎn)業(yè)界帶來巨大沖擊。利用溫度差的

32、能量來獲取電力的轉(zhuǎn)換效率可通過高溫端與低溫端的溫度比Tc/Th和ZT來計(jì)算。Tc/Th=0.5、ZT=2.6時(shí)，轉(zhuǎn)換效率約為18。六、主要熱電材料公司介紹1、國(guó)外公司：日本磁性流體技術(shù)株式會(huì)社創(chuàng)建于1980 年，總社地點(diǎn)在日本東京，主要技術(shù)與產(chǎn)品為磁性流體技術(shù)、熱電半導(dǎo)體制冷及應(yīng)用產(chǎn)品，1996 年在日本證券業(yè)協(xié)會(huì)注冊(cè)上市，在中國(guó)、美國(guó)、日本、羅馬尼亞、德國(guó)、英國(guó)、西班牙、意大利、新加坡法國(guó)等國(guó)家與地區(qū)投資設(shè)立公司與研發(fā)機(jī)構(gòu)。公司主營(yíng)業(yè)務(wù)收入近年來增長(zhǎng)穩(wěn)定，從2006 年的189.57 億日元增長(zhǎng)到2008 年的216.57 億日元。2009 年上半年實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入116.64 億日元，增長(zhǎng)率達(dá)

33、到6.86%。2006 年日本磁性流體技術(shù)株式會(huì)社資產(chǎn)負(fù)債率為35.54%， 2007 年資產(chǎn)負(fù)債率下降至34.75%，2008 年公司的資產(chǎn)負(fù)債率繼續(xù)下降到33.81%。2009 年上半年略有上升，為34.06%。公司利潤(rùn)總額2006 年達(dá)到19.61 億日元，較上年增長(zhǎng)6.95%，2006 年以來公司利潤(rùn)不斷增長(zhǎng)，2007 年和2008 年分別實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)總額18.71 億日元、20.20 億日元。2009 年半年繼續(xù)保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)11.02 億日元。公司市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)策略：1繼續(xù)加大先進(jìn)技術(shù)研發(fā)力度，保持行業(yè)龍頭地位；2在發(fā)展中國(guó)家建立研發(fā)、生產(chǎn)基地；3拓展市場(chǎng)，繼續(xù)擴(kuò)大公司在全球的市場(chǎng)份

34、額；4細(xì)分市場(chǎng)，差異化營(yíng)銷。企業(yè)自身SWOT分析：優(yōu)勢(shì)分析S技術(shù)先進(jìn)，產(chǎn)品市場(chǎng)占有率高，在中國(guó)品牌知名度高，受到廣泛認(rèn)可；劣勢(shì)分析W生產(chǎn)成本較高，產(chǎn)品價(jià)格較高，相對(duì)來說缺少政府背景支持；機(jī)會(huì)分析O下游需求廣闊，為企業(yè)發(fā)展提供了空間；威脅分析T國(guó)外巨頭在華投資不斷擴(kuò)大；國(guó)內(nèi)企業(yè)自主研發(fā)能力不斷增強(qiáng)，軍隊(duì)公司發(fā)展造成威脅。美國(guó)GMZ Energy是納米材料的先驅(qū)，為新一代清潔、高能效產(chǎn)品提供基礎(chǔ)支持。公司成立于2007 年，旨在制造新型熱電材料，使其廣泛運(yùn)用于消費(fèi)品及工業(yè)品，為未來的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。依靠麻省理工學(xué)院和波士頓大學(xué)的科技突破，GMZ Energy 在其位于馬薩諸塞州紐頓的總部生產(chǎn)該

35、種新型材料。GMZ Energy 的投資者是Kleiner Perkins Caufield &Byers。美國(guó)GMZ Energy 推出一款突破性的新型材料，有助于制造新一代更加清潔、能效更高的產(chǎn)品。這種新型熱電材料使用了納米技術(shù)，清潔環(huán)保，能夠有效地將廢棄的熱能轉(zhuǎn)化為電能，從而為綠色消費(fèi)品及工業(yè)品的發(fā)展鋪平道路，推動(dòng)未來的可持續(xù)發(fā)展。該款GMZ 材料功能眾多、應(yīng)用廣泛。它能優(yōu)化電冰箱及空調(diào)的制冷功能，并能利用汽車尾氣排放系統(tǒng)的熱源產(chǎn)生動(dòng)力。由于GMZ 材料已經(jīng)研發(fā)成功，并具有成本效益及易于采用等特點(diǎn)，因此具備商業(yè)可行性。它可以用于現(xiàn)今許多產(chǎn)品，能減少能源消耗和溫室氣體排放。GMZ 熱電材料由清潔環(huán)保的合成物質(zhì)組成。這種鉍-銻-碲合金先被壓成大約只有頭發(fā)寬度千分之一的納米顆粒，然后通過GMZ 創(chuàng)新制造流程，經(jīng)過加熱擠壓在一起。 該制造流程將納米顆粒散布到團(tuán)狀材料中，以便散發(fā)進(jìn)入熱能。因此，該材料能夠在電能傳導(dǎo)的同時(shí)減緩熱能傳導(dǎo)，從而改變熱能的流動(dòng)方向，驅(qū)動(dòng)電子和能量，使其不會(huì)散逸。GMZ 材料帶來的好處，即在于更有效地管理、引導(dǎo)和優(yōu)化產(chǎn)品所使用的能源。該熱電材料的生成技術(shù)由美國(guó)兩家頂級(jí)的研究型大學(xué)（麻省理工學(xué)院和波士頓學(xué)院）的研究人員共同發(fā)明。GMZ Energy 由麻省理工學(xué)院的陳剛教授、波士頓學(xué)院的任志鋒教授以及公司的CEO Mike C