溫差電池是一種利用溫度差異將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。通常采用金屬或半導(dǎo)體材料制作而成。金屬制電池的賽貝克效應(yīng)相對較小，適用于測量溫度和輻射強(qiáng)度等用途。而半導(dǎo)體制電池的賽貝克效應(yīng)更強(qiáng)，熱能轉(zhuǎn)電能效率更高，適合組成溫差電堆作為小功率電源。溫差電池的應(yīng)用場景多樣，包括航空航天、軍事、通信等領(lǐng)域。
發(fā)展歷史
1821年，德國物理學(xué)家塞貝克（Seebeck）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體接成閉合電路時(shí)，若兩個(gè)接點(diǎn)處于不同溫度環(huán)境中，電路中會出現(xiàn)電流，這一現(xiàn)象被稱為塞貝克效應(yīng)。此后，熱電效應(yīng)的相關(guān)研究不斷發(fā)展，如1834年法國物理學(xué)家帕爾帖（Peltier）發(fā)現(xiàn)的帕爾帖效應(yīng)，以及1856年由英國物理學(xué)家湯姆遜（William Thomson，即威廉·湯姆森）提出的湯姆遜效應(yīng)。近年來，隨著能源與環(huán)境問題的凸顯，溫差電技術(shù)再次成為研究熱點(diǎn)。
工作原理
溫差電池的工作原理基于塞貝克效應(yīng)，即當(dāng)兩種不同金屬導(dǎo)體的接觸點(diǎn)處于不同溫度時(shí)，會在回路中產(chǎn)生電流。對于半導(dǎo)體材料制成的電池，其賽貝克效應(yīng)更為顯著，可用于溫差發(fā)電。具體而言，將N型和P型半導(dǎo)體的一端結(jié)合并置于高溫狀態(tài)，另一端保持低溫，高溫端的熱激發(fā)作用會使空穴和電子向低溫端擴(kuò)散，從而在低溫端形成電壓。通過將多對N型和P型半導(dǎo)體連接，可以獲得更高的電壓，形成溫差發(fā)電機(jī)。
應(yīng)用
早期的溫差發(fā)電機(jī)于1942年由蘇聯(lián)研制成功，發(fā)電效率約為1.5%-2%。自20世紀(jì)60年代起，溫差電技術(shù)在航天飛行器、軍事和海洋勘探等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來，隨著科技的進(jìn)步，溫差發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，除了軍事和高科技領(lǐng)域，也在民用方面展現(xiàn)出良好前景。特別是在應(yīng)對能源與環(huán)境危機(jī)方面，科學(xué)家們正在積極研究如何利用低品位和廢熱資源發(fā)電，部分成果已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。
遠(yuǎn)程空間探索
自1969年阿波羅飛船飛船成功登月以來，人類對太空的探索一直在持續(xù)。隨著探索深度的增加，對太空電池的要求也越來越高。在遠(yuǎn)離太陽、寒冷、黑暗和真空的環(huán)境中，太陽能電池難以發(fā)揮作用。相比之下，放射性同位素溫差發(fā)電系統(tǒng)因其熱源穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、壽命長等特點(diǎn)，成為了理想的電源選擇。一枚硬幣大小的放射性同位素?zé)嵩茨軌蛱峁┏^20年的連續(xù)電力供應(yīng)，這對飛船的航行、通信和科學(xué)研究至關(guān)重要。
軍事
為了滿足軍隊(duì)對電源系統(tǒng)輕便、靈活、易于充電的需求，美國能源部自1999年起開展了“能源收獲科學(xué)與技術(shù)項(xiàng)目”，旨在利用溫差發(fā)電模塊收集士兵的體溫，用于電池充電。該項(xiàng)目的目標(biāo)是在12小時(shí)的戰(zhàn)斗任務(wù)中至少生產(chǎn)250瓦時(shí)的電量，目前已取得多項(xiàng)研究成果。
遠(yuǎn)距離通訊、導(dǎo)航和設(shè)備保護(hù)
溫差電技術(shù)以其穩(wěn)定性、免維護(hù)特性，在發(fā)電和輸電困難的偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)揮了重要作用。已在基地、沙漠、森林等地的微波中繼站電源、遠(yuǎn)程無線電接收裝置、自動氣象站、無人航標(biāo)燈、管道陰極保護(hù)等方面得到應(yīng)用。
小功率電源
溫差發(fā)電機(jī)體積小、重量輕、無振動、無噪音，特別適合用作小功率電源（小于5W）。在無人值守的傳感器、短程通訊裝置、醫(yī)療和生理學(xué)研究所需的微小型發(fā)電機(jī)、傳感電路、邏輯門和糾錯電路等領(lǐng)域，溫差技術(shù)都具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。
溫差電傳感器
基于熱電轉(zhuǎn)換材料的塞貝克效應(yīng)，許多新型溫差電傳感器已經(jīng)被研制出來，應(yīng)用于低溫溫度測量、單像素紅外線和X射線探測、氫氣及其他可燃?xì)怏w泄漏檢測等領(lǐng)域。
參考資料 >
華中科技大學(xué)周軍團(tuán)隊(duì)Science：溫差發(fā)電，能給手機(jī)充電.X-MOL.2024-09-18
溫差電池原理是什么 溫差電池應(yīng)用領(lǐng)域有哪些.與非網(wǎng).2024-09-18
溫差電池是什么?.電子元件技術(shù).2024-09-18