温差發電

温差熱發電技術是一種利用高、低温熱源之間的温差，採用低沸點工作流體作為循環工質，在朗肯循環( Rankine Cycle，RC) 基礎上，用高温熱源加熱並蒸發循環工質產生的蒸汽推動透平發電的技術，其主要組件包括蒸發器、冷凝器、渦輪機以及工作流體泵． 通過高温熱源加熱蒸發器內的工作流體並使其蒸發，蒸發後的工作流體在渦輪機內絕熱膨脹，推動渦輪機的葉片而達到發電的目的，發電後的工作流體被導入冷凝器，並將其熱量傳給低温熱源，因而冷卻並再恢復成液體，然後經循環泵送入蒸發器，形成一個循環。

湯姆遜效應的物理學解釋是：金屬中温度不均勻時，温度高處的自由電子比温度低處的自由電子動能大。像氣體一樣，當温度不均勻時會產生熱擴散，因此自由電子從温度高端向温度低端擴散，在低温端堆積起來，從而在導體內形成電場，在金屬棒兩端便引成一個電勢差。這種自由電子的擴散作用一直進行到電場力對電子的作用與電子的熱擴散平衡為止 ^[1]  。

美國科學家發現，鯊魚鼻子裏的一種膠體能把海水温度的變化轉換成電信號，傳送給神經細胞，使鯊魚能夠感知細微的温度變化，從而準確地找到食物，科學家猜測，其他動物體內也可能存在類似的膠體，這種因温差而產生電流的性質與半導體材料的熱電效應類似，人工合成這種膠體，有望在微電子工業領域獲得應用。美國舊金山大學的一位科學家在2003年1月30日出版的英國《自然》雜誌上報告説，他從鯊魚鼻子的皮膚小孔裏提取了一種與普通明膠相似的膠體，發現它對温度非常敏感，0.1℃的温度變化都會使它產生明顯的電壓變化。

鯊魚鼻子的皮膚小孔佈滿了對電流非常敏感的神經細胞.海水的温度變化使膠體內產生電流，刺激神經，使鯊魚感知到温度差異.科學家認為，藉助這種膠體，鯊魚能感知到0.001℃的温度變化，這有利於它們在海水中覓食。

哺乳動物靠細胞表面的離子通道感知温度：外界温度變化導致帶電的離子進出通道，產生電流，刺激神經，從而使動物感知冷暖.與哺乳動物的這種方式不同，鯊魚利用膠體，不需要離子通道也能感知温度變化。

熱電製冷又稱作温差電製冷，或半導體制冷，它是利用熱電效應（帕爾帖效應）的一種製冷方法。

1834年法國物理學家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，在將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負極上，通電後，發現一個接頭變熱，另一個接頭變冷。這説明兩種不同材料組成的電迴路在有直流電通過時，兩個接頭處分別發生了吸放熱現象。這就是熱電製冷的依據。半導體材料具有較高的熱電勢可以成功地用來做成小型熱電製冷器。圖1示出N型半導體和P型半導體構成的熱電偶製冷元件。用銅板和銅導線將N型半導體和P型半導體連接成一個迴路，銅板和銅導線只起導電的作用。此時，一個接點變熱，一個接點變冷。如果電流方向反向，那麼結點處的冷熱作用互易。

熱電製冷器的產冷量一般很小，所以不宜大規模和大製冷量使用。但由於它的靈活性強，簡單方便冷熱切換容易，非常適宜於微型製冷領域或有特殊要求的用冷場所。

熱電製冷的理論基礎是固體的熱電效應，在無外磁場存在時，它包括五個效應，導熱、焦耳熱損失、西伯克(Seebeck)效應、帕爾帖(Peltire)效應和湯姆遜(Thomson)效應。

一般的冷氣與冰箱運用氟氯化物當冷媒，造成臭氧層的被破壞.無冷媒冰箱(冷氣)因而是環境保護的重要因素.利用半導體之熱電效應，可製造一個無冷媒的冰箱。

這種發電方法是將熱能直接轉變成電能，其轉變效率受熱力學第二定律即柯諾特效率(Carnotefficiency)的限制.早在1822年西伯即已發現，因而熱電效應又叫西伯效應(Seebeckeffect) ^[1]  。

2019年1月，浙江科技學院李國能教授團隊，基於塞貝克效應設計了一種温差發電熱電聯供系統，提出了新型的輻射式集熱器，採用生物質燃料的分佈式熱電聯供系統可以擺脱對化石燃料的依賴。 ^[3] 

2019年8月30日，湖北武漢武科大學生科研團隊在樊希安教授的指導下，成功利用人體體温和環境的温差做出了人體體温温差發電電池。

這款電池的發電原理主要是温差發電原理，當人體體温與環境温度產生温度差時，它就會導致芯片裏載流子的運動，載流子的運動可以實現發電。這一成果解決了移動設備需要充電的難題，未來可應用於國防裝備、醫療器械、個人娛樂終端、畜牧業等。 ^[2] 

威廉·湯姆遜1824年生於愛爾蘭，父親詹姆士是貝爾法斯特皇家學院的數學教授，後因任教格拉斯哥大學，在威廉8歲那年全家遷往蘇格蘭的格拉斯哥。湯姆遜十歲便入讀格拉斯哥大學 (你不必驚訝，在那個時代，愛爾蘭的大學會取錄最有才華的小學生)，約在14歲開始學習大學程度的課程，15歲時憑一篇題為“地球形狀”的文章獲得大學的金獎章。湯姆遜後來到了劍橋大學學習，並以全年級第2名的成績畢業。他畢業後到了巴黎，在勒尼奧的指導下進行了一年實驗研究。1846年至1899年，湯姆遜新回到格拉斯哥大學擔任自然哲學 (即現物理學) 教授，1899年湯姆遜正式退休。

湯姆遜在格拉斯哥大學創建了第一所現代物理實驗室；24歲時發表一部熱力學專著，建立温度的“絕對熱力學温標”；27歲時發表《熱力學理論》一書，建立熱力學第二定律，使其成為物理學基本定律；與焦耳共同發現氣體擴散時的焦耳－湯姆遜效應；歷經9年建立歐美之間永久大西洋海底電纜，由此獲得“開爾文勳爵”的貴族稱號。

湯姆遜一生研究範圍相當廣泛，他在數學物理、熱力學、電磁學、彈性力學、以太理論和地球科學等方面都有重大的貢獻。撇開這些不談，回到“湯姆遜效應”這個主題上來。在介紹湯姆遜效應之前，還是先介紹一下前人所做的工作。

1821年，德國物理學家塞貝克發現，在兩種不同的金屬所組成的閉合迴路中，當兩接觸處的温度不同時，迴路中會產生一個電勢，此所謂“塞貝克效應”。1834年，法國實驗科學家帕爾帖發現了它的反效應：兩種不同的金屬構成閉合迴路，當迴路中存在直流電流時，兩個接頭之間將產生温差，此所謂珀爾帖效應。1837年，俄國物理學家愣次又發現，電流的方向決定了吸收還是產生熱量，發熱（製冷）量的多少與電流的大小成正比。

1856年，湯姆遜利用他所創立的熱力學原理對塞貝克效應和帕爾帖效應進行了全面分析，並將本來互不相干的塞貝克係數和帕爾帖係數之間建立了聯繫。湯姆遜認為，在絕對零度時，帕爾帖係數與塞貝克係數之間存在簡單的倍數關係。在此基礎上，他又從理論上預言了一種新的温差電效應，即當電流在温度不均勻的導體中流過時，導體除產生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱為湯姆孫熱）。或者反過來，當一根金屬棒的兩端温度不同時，金屬棒兩端會形成電勢差。這一現象後叫湯姆孫效應（Thomson effect），成為繼塞貝克效應和帕爾帖效應之後的第三個熱電效應（thermoelectric effect）。

塞貝克效應是導體兩端有温差時產生電勢的現象，帕爾帖效應是帶電導體的兩端產生温差（其中的一端產生熱量，另一端吸收熱量）的現象，兩者結合起來就構成了湯姆遜效應。 ^[1]