心理强迫症

温差发电器 1 概述 1821年德国科学家塞贝克(T.J. Seebeck)发现了塞贝克效应，迄今已经快200年了。第二次世界大战末发现半导体材料后，掀起了探索温差电材料和器件的热潮，促进了温差电理论和技术的发展。二十世纪五十年代末六十年代初，空间技术飞速发展，急需一种长寿命、抗辐照的电源。由于温差发电器是一种静态的固体器件，没有转动部件，体积小、寿命长，工作时无噪声，而且无须维护，成为空间电源研发的热点，大大刺激了温差电技术的发展。1960年代初就有一批放射性同位素温差发电器(Radioisotope Thermoelectric Generator，英文缩写为 RTG)成功地应用于空间、地面和海洋。1963年美国将一个输出电功率2.7W的同位素温差发电器Snap3用在军用导航卫星上。1969年到1972年美国人将5个Snap27同位素温差发电器成功地放在月面上作为月面科学仪器供电电源。 目前，常规的温差发电器的热电转换效率还不到10%。与其它化学和物理电源电源相比，温差发电器的效率确实还较低。但是，温差发电器具有其它电源尚不具备的优点，如寿命很长，应用环境和使用热源不受限制，特别是它可以利用所谓低级热发电,如工业废热、垃圾燃烧热、汽车排气管的余热以及太阳热、地热、海洋热能等，一直吸引着人们的青睐。1990年起，出于环境保护和经济可持续发展的需要，许多国家的政府和公司投入资金用于开发温差电技术，在全球范围内又一次掀起了研发这种绿色电源的热浪。 目前，RTG是月球面和深太空航天器的首选电源。RTG也可以用作海上浮标、声纳的电源，或极地、边界的军用隐蔽电源、预警系统电源。天然气燃料温差发电器已经在世界许多国家的输油、输气管线、通讯网络上获得了应用。 2 分类 按使用的热源分类，温差发电器可分为放射性同位素温差发电器、核反应堆温差发电器、烃燃料温差发电器、低级热温差发电器等。 放射性同位素温差发电器(RTG)是将放射性同位素(如Pu-238, Sr-90,Po-210等)的衰变热能直接转换成电能的温差发电器。 核反应堆温差发电器是将原子能反应堆中燃料裂变产生的热能直接转换成电能的温差发电器。 烃燃料温差发电器，燃烧气体烃燃料或液体烃燃料产生的热能直接转换成电能的温差发电器。 低级热温差发电器，将各种形式的低温热能(包括余热、废热)直接转换成电能的温差发电器。 按工作温度来分类，温差发电器可分为高温温差发电器、中温差发电器和低温温差发电器三大类。高温温差发电器，其热面工作温度一般在700?以上，使用的典型温差电材料是硅锗合金(SiGe);中温温差发电器，其热面工作温度一般在400?,500?，使用的典型温差电材料是碲化铅(PbTe); 低温温差电器， 其热面工作温度一般在400?以下，使用的典型温差电材料是碲化铋(BiTe)。 23 3 工作原理、结构与制造流程 3.1工作原理 温差发电器是利用塞贝克效应，将热能直接转换成电能的一种发电器件。将一个p型温差电元件和一个n型温差电元件在热端用金属导体电极连接起来，在其冷端分别连接冷端电极，就构成一个温差电单体 或单偶。在温差电单体开路端接入电阻为R的外负载，如果温差电单体的热面输入热流，在温差电单体热L 2端和冷端之间建立了温差，则将会有电流流经电路，负载上将得到电功率IR，因而得到了热能直接转换L 为电能的发电器，见图1。 图1 温差发电原理 利用闭合电路的欧姆定律，即得 式中，电动势ε等于温差电单体的塞贝克系数与温差的乘积。温差电单体的内阻R在给定热、冷端工作温i 度的工作状态下保持不变，则负载上的电压为 负载上所获得的电功率为 式中，。 当负载电阻阻值和内阻相等，即m=1时，负载上获得最大输出电功率，为 当发电器工作时，为保持热接头和冷接头之间有一定的温度差，应不断地对热接头供热，而从冷接头不断排热。热接头所供给的部分热量被作为珀尔帖热吸收了，另一部分则通过热传导传向冷接头。排出的热量应为冷接头放出的珀尔帖热和从热接头传导来的热量之和。对于上述接头的热平衡，还应加上汤姆逊 2热和被导体释放的焦耳热。设在系统中所产生的焦耳热IR中有一半传到热端，另一半由冷端放出，热源i 所消耗的热量是珀尔帖热P、由于热传递迁移到冷端的热P和交还给热源的焦耳热 三部分组成， hT 即为。温差电单体的热电转换效率是有用功率与热源所消耗的热量之比。因此热电转换效率可写为 由(4)式可以看出，热电转换效率完全取决于:(1)热端与冷端温度;(2)的选择;(3) ,主要由制造温差电单体的材料的性质来决定，我们将用1/Z来代替它，即 将温差电元件的形状因子优化后，可以得到KR的最小值。这时， i 式(6)中，κ、κ和ρ、ρ分别代表p型和n型温差电材料的热导率和电阻率。Z的表达式只包含温差pnpn 电单体对中两元件所用的材料的热电性能参数，而与它们的尺寸无关。我们把它叫作温差电单体对的优值。 -1它的单位是K。 再经过数学运算，当 时，获得热电转换效率的最大值，即 式(8)的第一个因子表示可逆热机的热力学工作效率，即卡诺效率。第二个因子表示由于热传导(κ)和焦耳热(ρ)这两个不可逆过程而引起的工作效率的下降。κ和ρ在Z的表达式中最终影响η。因此式(8)第二部分实际上代表温差电材料的效率。 在温差电材料的研究中，定义了评价某一材料热电性能的质量标准，即单一温差电材料的优值Z (Figure of Merit，有的地方称为品质因子)，即 实际工作中，也经常使用它与绝对温度的乘积--无量纲优值ZT的概念。 从定义(10)可以看出，要想得到优值高的温差电材料，只有提高其塞贝克系数和电导率，降低其热导率。但是塞贝克系数、电导率和热导率都在不同程度上依赖于载流子浓度和迁移率，互相是关联的。 3.2 结构 一个有使用价值的温差发电器是由几对甚至几十对以上的温差电单体串联、串并联或并串联组成。在整个发电器中要使单体、热源、外壳三者间相互电绝缘，并且在由热源、温差电元件及附件—散热器组成的热路上有最小的热阻。 通常，温差发电器采用两种结构。一种是以热源为中心，温差电元件分列式辐射状排列的结构;另一种是将温差电元件紧压在热源一侧的平板结构。前者采用一定结构的冷端构件以后，具有极高的抗冲击振动能力，转换效率较高，但成本也较高。后者安装方便，成本较低，但热量利用率也低些。 在这两种发电器结构中温差电单体都可以采用分立元件或组合件的形式。所谓组合件就是将若干温差电单体对紧凑地排列成一个阵列，温差电元件之间电绝缘，并按一定工艺和方式焊上电极，成为一个整体，常称为温差发电组件。采用温差发电组件后发电器结构紧凑，装配容易，提高了发电器的质量比功率和热电转换效率，也增强了单体抗冲击振动的能力。但要保证每对单体都有较小的接触电阻，工艺上难度较大。 3.2.1分列元件式温差电单体结构 3.2.1.1 碲化铅(PbTe)温差电单体结构 图2所示为碲化铅(PbTe)温差电单体结构，是一种分列元件式温差电单体的典型结构，中温温差发电器常用这种单体结构。 1-连接片，2-TAGS-85，3-连接片，4-热靴,5-电互连条， 6-焊料片，7-冷帽，8-2N-PbTe，9-SnTe段，帽，10-硬焊片 图2 温差电单体结构 3.2.1.2 硅锗(Si-Ge)温差电单体结构 SiGe温差电单体采用结构，如图3所示。SiGe温差电单体热端用大面积集热板(热电极)相联。冷端焊上冷电极后连接到带阴螺纹的螺栓上。热电极材料通常使用含95%Si的SiMo合金。冷电极材料一般使用钨。SiGe温差电偶和SiMo热电极上有SiN涂层以减小SiGe升华。温差电偶外面再绕上若干层SiO342纤维作电绝缘物。 1-铜分流器;2-钨补偿体;3-铜垫块;4-冷电极;5-石英纤维线; 6-P型热电极;7-电互连条;8-螺母, 9-电绝缘体;10-SiGe冷端材料; 11-石英棉;12-SiGe元件;13-N型热电极;14-电绝缘体。 图3 SiGe温差电单体的结构 3.2.2 温差发电组件 温差发电组件的结构类似于常规的单级温差电致冷组件，这种夹层结构示于图4。低温温差发电器较多采用碲化铋温差发电组件来组装。 温差发电组件内若干对温差电偶在电路上是串联的，在热路上是并联的。温差电元件一般呈矩形截面。碲化铋温差发电组件，通常采用铜制电极或铝制电极连接P、N型元件。 高纯氧化铝AlO(或氧化铍BeO、氮化铝AlN)陶瓷片在温差发电组件的冷面和热面与外界耦合。陶瓷23 片上有金属化互连电路。 1-冷面陶瓷片，2-输出端(+)，3-N型元件，4-热面陶瓷片， 5- 温差电元件，6-电极，7-输出端(-)，8-温差电单体 图4 温差发电组件的结构 3.2.3温差发电器的结构 3.2.3.1 低温温差发电器的结构 许多碲化铋温差发电器采用了平板结构，即将温差电元件安装在热源一侧。天使号放射性同位素温差发电器(Angel- RTG)采用了这种结构，见图5。该发电器使用碲化铋温差电组件，热面工作温度约在200?。 1-同位素热源，2-温差电换能器，3-绝热材料， 4-外壳，5-输出接头，6-密封接头 图5 Angel- RTG结构示意图 3.2.3.2中温温差发电器的结构 中温温差发电器，使用最多的是PbTe基温差电材料，常用热源中心型温差电元件分列式温差发电器的结构，其典型结构示于图6。这种发电器结构已经成功地用于Snap-3、Snap-19、Snap-27等放射性同位素温差发电器中。其结构特点是热源置于发电器中心轴，温差电元件分列式辐射状排列在柱体状热源周围。在电路上温差电单体可以采用全部串联、串并联或并串联的连接方式。用弹簧-活塞-调整扣组成冷端组合体，温差电单体上加加弹簧压力负载。内部填充低热导率的绝热材料。发电器内部充氩气或混合惰性气体(氪-氢或氦-氩混合气)以抑制温差电材料升华。 ,,热源，,,温差电元件，,,传热轴，,,框架，,,外壳，,,散热片 图6 PbTe,RTG结构示意图 3.2.3.3 高温温差发电器的结构 通用热源放射性同位素温差发电器(GPHS-RTG)，是已经成功地应用于加利略、尤利西斯、卡西尼、新视野号等空间工程的高温温差发电器，它采用了热源中心型温差电元件分列式结构，见图7。该发电器采用了前面已经介绍的可卸式锗-硅温差电单体。发电器结构和安装方式与PbTe中温发电器有很大差别。发电器装配时，将螺栓(已焊上SiGe温差电偶)插入RTG外壳带锥度的孔中，再用螺母将它拧紧在外壳 上。最后温差电单体以悬臂方式支撑在外壳上。因此这种结构不需要弹簧压紧式系统。这种结构较灵活，能拆卸。螺母上施加的力矩应使螺栓略为变形，使螺栓和RTG外壳能紧密相配合，达到机械上牢固、热流畅通的目的。发电器内采用钼箔和加钼遮光石英纸交迭组成的多层箔绝热材料。 1-热源支撑件,2-冷却管,3-气体控制构件,4-铝外壳构件,5-通用热源(GPHS),6-主动冷却系统集管, 7-压力释放器件,8-RTG安装法兰,9-多层箔绝热材料,10-硅-锗单体,11-热源盒中部支撑件 图7 GPHS-RTG的结构 3.3 制造工艺流程 温差发电器制造工艺流程见图8。 图8 温差发电器制造工艺流程 如果温差发电器由温差发电组件构成，则单体对和单体条的焊接在温差发电组件的集成过程中同时完成。 3.3.1 温差电材料制备工艺 温差电材料原则上可用通常的单晶体生长工艺来制备。但单晶体工艺需要精密的设备，操作复杂，成本较高。在实践中温差电材料往往采用多晶或定向多晶材料。通常，制备温差电材料的方法是粉末冶金法以及区域熔炼法。用粉末冶金法制备的温差电材料往往具有较低的热导率、较高的机械强度，但是却降低了电导率。相对而言，区域熔炼法可制备电导率较高的温差电材料，但同时也提高了材料的热导率。粉末冶金工艺，常规的有冷压法和热压法，近年来又发展了机械合金法(MA)、粉碎混合烧结(PIES)法、挤压法和放电等离子烧结法(SPS法)。通常，PbTe及SiGe合金用粉末冶金工艺制备，BiTe及其合金23用区域熔炼法，也可用热压工艺或挤压工艺制备。下面仅介绍粉末冶金法和区融熔炼法制备温差电材料的工艺。 常规粉末冶金法的工艺流程如图9所示。 图9 粉末冶金法工艺流程 区域熔炼法的工艺流程如图10所示。 图10 区域熔炼法工艺流程 3.3.1.1 配料和熔炼 配料和熔炼是所有材料制备工艺中的共有的工艺步骤。 (1)配料 温差电材料的配比，能够直接影响载流子浓度、迁移率、晶格参数、散射机制等物理量和状态，最终影响材料的热电性能，必须优化。各组分极少量的偏离会对温差电材料的热电性能产生极大的影响。因此，配料前精确计算各组分的重量、配料时精密称量是非常重要的。 (2)熔炼 熔炼的目的在于使各组分元素在高温时充分化合，没有组分的偏析或游离。 由于很多温差电材料的蒸气压很高，某些元素很易氧化，在熔炼时某些元素特别容易从熔炼表面逸出，以致使材料偏离配方中的比例。因此，在熔炼过程中容器必须严格密封，或者将容器抽真空后充一定压力的惰性气体，以抑制组分的逸出。也可采用能产生还原性气体的碳粉来保护。 熔炼的方法一般可采用高频感应熔炼、电阻炉熔炼等。 熔炼的工艺要素是熔炼温度、保温时间和冷却方式。选择的熔炼温度可比化合物的熔点高30,50?。保温时间一般为30,190分钟。最后要让溶液迅速冷却。 3.3.1.2 粉末冶金法 (1)粉碎 粉末粒度大小对压制成型后的温差电材料的热电性能有一定的影响。如粒度太小，则粉末粒子互相间的接触面积十分大，将增加材料的热导率;反之，如粒度太大，则将减少材料的电导率。同时，粒度不均匀时，也会造成材料内部热电性质不均匀和机械性能的不均匀性。 温差电材料的粉碎一般采用机械粉碎法，经常采用的是捣磨法或球磨法。 (2)压制成型 成型的目的是使材料成为具有一定形状、尺寸和密度的型坯。加压使粉末成型，通过压力有可能使粒子内的很多原子在原子引力所能及的范围内互相接触，从而使粒子间产生粘附力;另外，根据粒子的形状，在加压中也有因滑动、转动等原因，其粒子之间机械的相互咬合在一起而产生维持其形状的力。也有时由于粒子表面相互摩擦，将粒子表面上的氧化膜或杂质膜破坏，而出现清洁的粒子表面，使之容易粘附。为了得到好的温差电元件，在压制成型过程中必须使密度均匀分布。 压制成型过程中所加压力的大小，依粉末种类、形状及各种条件而有很大差异。压力过大，材料上易产生裂纹、伤痕和缺陷;压力过小则使材料过于疏松，存在气泡和缺陷。 制造温差电元件时常用的粉末压制成型方法有冷压法和热压法。 封闭的刚性模具冷压法也就是常称的冷压法。其方法是将粉末放入刚性模具中，通过模冲对粉末加压，使其成型。 熔炼后的温差电材料粉末在高温下较柔软，因此热压比冷压可获得较致密和机械强度好的材料。如适当选择压力与温度，热压方法可以同时进行成形与烧结两道工序。 通常，热压必须在还原或惰性气氛中进行。一般多用H作还原气氛。由于高温时被压制材料严重地2 氧化，所以用石墨模具时，产生的CO也起着还原作用。 (3)烧结 对粉末压制的温差电元件进行烧结的目的是:使温差电材料的晶粒细化，提高强度、韧性和塑性;消除应力;消除或减少材料组分和结构的不均匀性;改善材料的温差电性能。 3.3.1.4 区融熔炼工艺 使用区域熔炼法(简称区熔法)可以制备BiTe及其合金的定向多晶材料。由于其晶粒有明显的取23 向性，通常区域熔炼法制备材料的优值比粉末冶金法高。 区熔法生长晶体，是借助于高频感应线圈加热或普通电阻加热，使材料在一个狭窄的区域内熔化，然后令熔区自下而上(或自左而右)地通过竖直(或水平)放置的粗材料进行提纯和结晶。该过程可以在真空内进行，也可以在一定还原气氛下进行。图11 是区域熔炼法示意图。 1-熔融界面，2-固化界面，3-生长的晶体，4-粗晶锭，5-安瓿移动方向，6-炉子，7-熔区，8-安瓿移动方向 图11 区域熔炼法示意图 为了获得定向较好的多晶体，在区熔过程中，首先要求高温区的温度高于晶体的熔点，使待区熔晶棒得以充分熔解，但必须避免熔体组分的大量挥发;而低温区的温度应低于晶体的熔点，但不能太低，避免晶体炸裂或产生大的内应力。其次在熔体生长过程中，应尽量避免或减少组分过冷现象发生。理论表明，发生组分过冷的临界条件为 式中，G为熔体界面处的温度梯度，V为熔区移动速率， C为熔体中主要杂质平均浓度，m为液相线斜0 率，k为杂质的分凝系数，D为杂质在熔体中的扩散系数。公式中，G和V是可以调节的工艺参量，m、0 c、k和D是晶体生长系统的物理参量。实践表明，在保证晶体不发生解理的前提下，采用适当大的温度00 梯度、相对小的生长速度，对避免或延迟组分过冷的出现是有利的。 3.3.2 单体连接 温差电单体的连接质量将决定温差电池的内阻和寿命，是影响温差电池质量的关键工艺。温差电单体连接工艺有焊接法、压力接触法等，常用焊接法。 电极材料、焊料中的杂质扩散入温差电材料中会使温差电材料的热电性能快速衰减。另外，如电极材料和温差电材料的热膨胀系数不匹配，在长期热循环过程中会引起接头脱落，降低温差发电器的寿命。因此，温差电元件与电极之间常进行表面处理，镀覆膨胀系数匹配、热稳定性好的过渡层壁垒。 可用来焊接温差电单体的方法有:1)火焰焊接;2)烙铁焊接;3)炉中焊接;4)感应焊接等。 采用焊接工艺连接温差电单体时，焊料成份、熔点、机械强度和焊接层所形成的接触电阻等都是直接影响温差发电器性能的重要因素。优化焊料、焊剂、焊接温度、气体保护压力等焊接工艺条件，是降低温差电单体的接触电阻，制成高性能温差发电器的关键。 炉中焊接是利用加热炉的热量加热工件的一种焊接方法。温差电单体焊接中常用电炉加热。炉中焊接法加热比较均匀，被焊工件变形小，能较好的保证设计的接头形状和尺寸公差。 温差电单体常在充满还原性气氛的焊接炉中进行焊接。还原性气氛防止了焊接时空气的入侵，同时能还原工件表面原有的氧化膜和新形成的氧化产物。惰性气氛炉中焊接时通常采用的惰性气体是氩，也有用氦。其作用是降低氧分压强。 焊接规范主要有升温速度、焊接温度、保温时间及降温速度等。 (1)加热速度 加热速度取决于焊件尺寸、导热性能及焊料的成分。一般来说，焊件尺寸小、导热性好、焊料内含易挥发元素多时，加热速度尽量快些。 (2)焊接温度 钎焊焊接温度一般高于焊料熔点25,30?。提高温度能减少熔化焊料的表面张力，因此改善浸润性，使焊料与焊件之间的作用加强。但温度过高会产生过烧和溶蚀等缺陷。 (3)保温时间 保温过程应使焊料与焊件发生足够的作用。选择保温时间应考虑焊料与被焊件材料作用的强弱、间隙大小及焊件尺寸等因素。 (4)降温速度 降温速度可以快一些。但也必须适当，以免因膨胀系数的差异而在接头处形成应力，甚至产生裂纹。 (5)焊接压力 压力愈大、温度愈高，温差电元件域电极紧密接触的面积也愈多。因此，在加压变形阶段，一定要设法使绝大部分表面达到紧密接触。为了防止连接构件产生过度塑性变形和蠕变以实现精密连接，有时仅在焊接开始时施加压力，或短时间提高温度以促进塑性变形。 3.3.3 温差发电组件的集成 常规温差发电组件的冷面和热面外侧是两片高纯氧化铝AlO陶瓷片，焊接在温差发电组件的冷面和23 热面与外界耦合。制作金属化陶瓷片的传统工艺方法是采用先印刷钼锰浆然后烧结的方法制备金属化层，在陶瓷片上制作金属化互连电路。温差电组件集成前预先将电极焊接在陶瓷片相应位置金属化层上。近年来，开发了敷铜板(DBP)工艺直接将铜电极烧结在陶瓷片上。温差电组件的集成应当同时保证所有接头具有一致和较低的接触电阻。 温差发电组件集成的工艺流程见图12。 图12 温差发电组件集成的工艺流程 3.3.4 温差发电器的集成 温差发电器是由几十或数百对温差电单体(或者几个或数十个温差发电组件)串联或并联组成的，在整个发电器中，要使温差电单体(或温差发电组件)、热源盒、外壳三者间相互绝缘，并且使由热源、温差电元件及附件、散热器组成的热路上热阻最小。温差发电器的集成是高精度的装配过程。 温差发电器内的工作气氛必须很干净。氧、水分及其它腐蚀性成分和有害杂质的存在，都会引起温差电材料―中毒‖、接头变质，加速发电器性能的衰降。有些温差电材料，如碲化铅、TAGS等，在高温时严重氧化和升华，因此，温差电发电器装配完毕、密封后，要在室温和烘烤状态下抽气，以除去水分、氧气。PbTe温差发电器则要充一定压力的惰性气体，并密封封装。SiGe温差发电器内部可以是真空状态。 PbTe发电器内可充高纯氩气。氩气可预先通过PO去水，再充入发电器内。为了整体检漏的需要，25 有的发电器可充入He25%+Ar75%的混合气体。 4 性能和应用 4.1 性能 温差发电器的主要性能参数包括:开路电压、输出电功率、效率、功率衰减率、重量、体积、重量比功率和可靠性等等。 4.1.1 开路电压 温差发电器的开路电压，指温差发电器负载开路时发电器输出端的电压。符号ε，单位V。 4.1.2 输出电功率 温差发电器的输出电功率，等于负载上的电压和回路电流的乘积，即 式中，I,回路电流，A， V,负载上的电压，V， P,输出电功率，W。 当回路的负载电阻与温差发电器的内阻值相等时，我们得到温差发电器的最大输出电功率。这时， 式中，Ri,温差发电器的内阻，Ω， Pmax,温差发电器的最大输出电功率，W， 温差发电器的伏安特性曲线和输出功率,电压变化曲线见图13。 图13 温差发电器的输出特性 4.1.3 效率 温差发电器的效率，即指热电转换效率，定义为温差发电器的输出电功率与输入热功率之比。 式中，P,输出电功率，W， Q,输入热功率，W， η,热电转换效率，,。 温差发电器的最大热电转换效率为 式中，P,最大输出电功率，W。 max 对于放射性同位素温差发电器来说，热电转换效率为 3式中，d –放射性同位素燃料的功率密度,W/cm, 3V - 放射性同位素燃料的体积,cm. 对于气体燃料温差发电器来说,温差发电器的热电转换效率为 3式中，M - 燃料低热值，kcal/m, τ- 燃料消耗率，L/h. 电加热模拟同位素温差发电器的热电转换效率为 式中，Q,输入电功率，W， e V ,输入电压，V， I ,输入电流，A。 4.1.4 寿命和功率衰降率 温差发电器是一种长寿命的电源。其寿命一般可达几年到十几年。温差发电器的寿命规定为温差发电器从正常工作到输出功率衰降到低于额定功率值一刻的时间。 温差发电器的功率衰降率，指的是单位时间内温差发电器输出功率衰降的百分数。它定义为 式中，P是温差发电器的初期输出功率，也就是温差发电器开始正常工作时的输出功率;P为某一时间的0 输出功率;t为温差发电器已工作的时间。功率衰降率的单位为%/月、%/年或%/千小时等。 根据温差发电器的额定功率、初始功率和设计寿命，就可以计算出保证设计寿命期间内发电器正常工作所要求的功率衰减率。 输出功率衰降是温差发电器性能衰降的外在表现。反映在温差发电器内部，主要是发电器内阻的增加。因此，温差发电器性能衰降也可以用温差发电器内阻增加率来描述。 4.1.5 重量比功率 温差发电器重量比功率定义为温差发电器的输出功率与温差发电器总重量之比值。单位为W/kg。 对空间应用来说，发电器的重量比功率是非常重要的指标。因为每增加一公斤重量，就要给火箭增加很大的负担，大大增加发射成本。但是，对地面应用来说，重量比功率相对其它指标来说就是次要的了。 4.2 应用 美国自1961年起在二十多项空间任务中使用同位素温差发电器做电源。这些同位素温差发电器的输出电功率从2.7W到300W,质量从2kg到34kg,最高效率已达6.7%,最高质量比功率已达5.2W/kg, 设计寿命为5年。例如著名的阿波罗登月、飞向外层行星的旅游者、海盗号火星着陆器、伽利略飞船等都使用了同位素温差发电器。1997年10月，美国成功地发射了探测土星的卡西尼行星际飞船，有3个同位素温差发电器作电源。2006年,月，发射了探测冥王星的新视野号飞船，用,个RTG作电源。目前, 这些同位素温差发电器的使用寿命都超过19年，有的已经工作30多年。 同位素温差发电器在地面和海洋开发中应用也日益增多。现已使用的同位素温差发电器功率范围在几毫瓦到数百瓦、上千瓦。主要用于灯塔、航标、海底声纳、海底微波中继站、自动气象站和地震测试站电源。 美军研制了前沿阵地使用的机动性高、无声、质量轻、能无人维护长期运行的液体燃料温差发电器，供夜视装置、雷达、导航设备、电台和指挥系统使用。这种发电器可使用柴油、汽油等多种液体燃料，功率从几十瓦到一千瓦，可便携或可作车载辅助电源。加拿大环球温差电公司生产的燃气温差发电器已经在世界许多国家的输油、输气管线、通讯网络上获得了应用。 在低级热利用方面，温差发电器也很有前途。低级热，包括工业废热、垃圾燃烧热、汽车排气管的余热、太阳热、地热、海洋热能等，热源的温度范围宽广。采用温差发电技术大规模利用低级热，可以开发出结构简单、维护少，而且是无公害的干净能源。很多专家认为，温差发电器利用这些热能，可直接产生低压大电流，如用于电解水制氢，是最好的低峰储能方式之一。 5 使用与维护 5.1 热面温度的维持和控制 如温差发电器的热面温度过高，焊接接头容易脱落，某些温差电材料的升华率也急剧增加，极易引起温差发电器失效。所以，温差发电器的热面温度应当控制和维持在额定温度以下。 RTG加入同位素燃料后，热面温度将不可控地达到一定值。因此，RTG的设计就应当保证其在加燃料运行时热面温度不会高于允许温度值。 由于温差发电器内部温度场对环境温度的变化很敏感。当环境温度升高时，热面温度和冷面温度都会增高，必须采取措施，创造有利的散热条件，将热面温度和冷面温度降低至合理的温度范围。例如，RTG发射和着陆以前，又如执行月面任务，特别是月昼，要充分考虑和解决其散热问题。 5.2电源控制器 对于一定功率的温差发电器，由于工艺原因，温差电元件的尺寸不可能很细很长，温差电换能器中温差电单体对数也不可能任意增加。因此，一般来说，温差发电器的开路电压比较低。若用电器需要高电压供电，必须设计和使用与之匹配的升压器。 温差发电器的伏安特性呈线性,与太阳电池、化学电池不同，而且其输出特性对环境温度的变化很敏感，电源控制器的设计应当充分考虑到这些因素。 珀尔帖效应可以消耗温差发电器的输入热量，降低其热面温度。因此，空间应用的温差发电器，在着落前，即发射、变轨、轨道等阶段，处于短路状态较为有利。 6 发展趋势 温差电技术领域，极大部分努力都在提高温差发电器的热电转换效率。对空间应用来说，非常重要的是提高其重量比功率。 提高热电转换效率最主要的途径是提高温差电材料的优值。具体来说就是改善现有温差电材料的热电性能、研究新型温差电材料、开发功能梯度温差电材料，以及降低温差电材料的维数。 提高温差电材料的优值，增加了温差发电器的热电转换效率，最终的结果，降低了温差发电器的成本(特别是RTG的成本)，改善了温差发电器的重量比功率。 美国航天局(NASA)制定了空间核创新计划，开发先进的放射性同位素电源系统和空间核反应堆电源系统。后来该计划更名为普鲁米修斯核电源和推进计划。计划目标是面对未来火星科学站网络、小型电推进器、具有复杂机动能力的深空探测小型飞行器等各种空间新任务，开发核电源，大大扩展人类在行星或月球表面移动实验室、深空探测的能力。 普鲁米修斯计划要求研制的同位素电源系统增加比功率，同时减少同位素量，以降低飞行成本。目标:比功率增加2倍，即从目前RTG的4.5We/kg，提高到8-10We/kg，效率从现在的,5.7%提高到2到4倍。 普鲁米修斯计划在热电转换技术基础研究中，安排了4项放射性同位素温差电能量转换技术进行开发和预先研究: (1) 用于放射性同位素温差发电器的Si-Ge纳米复合材料，利用纳米织构技术改进SiGe块体材料， ZT,2，演示效率12-14%。 (2) BiTe/PbTe-BiTe/TAGS/PbSnTe 分段温差发电器，利用BiTe和PbTe、PbSnTe、TAGS 一起构成的分段单偶的致密型温差发电组件，目标是演示效率10%，系统比功率5W/kg。 (3) BiTe-PbTe/TAGS先进超晶格毫瓦和瓦级放射性同位素温差发电器，用于开发输出 功率50到数百毫瓦的PbTe/TAGS,超晶格BiTe温差电技术，用于制作微瓦RTG，要求演示组件效率?8%。 (4) 毫瓦和瓦级量子阱温差电器件，用于开发量子阱薄膜高温多偶器件，演示效率25-40%。