1.目的及意义

能源问题是21世纪各个国家所面临的的重大难题，以及能量转换效率低等问题造成能源大量的浪费，开发和利用绿色能源以及提高能量转换效率是缓解该问题的主要途径，随着半导体材料和热电材料的发展，以及热电理论的逐步成熟。温差发电开始应用于航天和军事以及生活中。温差发电是一种绿色环保的能源技术，这种全固态能量转换方式无噪声，无磨损，无污染、体积小、重量轻、携带方便、使用寿命长，基于以上优点，该项技术具有广阔的应用前景。同时温差发电的能量转换效率比较低，这成为制约该项技术广泛应用的瓶颈。本文在单段热电偶臂性能分析的基础上，研究双段热电偶臂的发电性能和能量转换效率，进行结构优化，来提高温差发电的能量转换效率。

国内外研究现状：

温差发电是一种利用热能发电的技术，这种技术通过热电材料，将热能直接转换为电能，与其他发电方式不同，它具有无噪声、无污染工作安全可靠稳定的优点。所以它是环境友好型的发电方式，温差电能是绿色清洁的能源。

温差发电技术的发展起步于20世纪初，当时在热电材料的研究突破了金属的限制，半导体在热电转化中体现的优良特性使得温差发电技术有了很大的发展。

德国国家实验室的Ｔ．Ｊ．Ｓｅｅｂｅｃｋ提出塞贝克效应。作为热电能量转换技术的理论基础，塞贝克效应指出，在两种金属Ａ和Ｂ组成的环路中，若是不同金属连接处的温度有差异，则环路中会导致电流产生，并引发相应的电动势，即热电势。法国物理学家帕尔帖提出了塞贝克效应的反效应，即帕尔贴效应。帕尔贴效应论证了热电能量转换过程的相互性，为热电能量转换领域的发展奠定基础。俄国科学家Ｈｅｉｎｒｉｃｈ Ｌｅｎｚ指出，热电能量转换现象中电流方向决定能量走向为摄入还是排出，发热量的数值与电流的数值成正相关。英国物理学家詹姆斯.焦耳发现电流通过导体时电能转化成热，把这种现象叫做电流热效应。爱尔兰物理学家汤姆孙对Ｓｅｅｂｅｃｋ效应和帕尔帖效应进行全面分析，提出了汤姆孙效应。最终，Ｓｅｅｂｅｃｋ效应，帕尔帖效应和汤姆逊效应成为广为人知的三大热电效应。对于上述热平衡，加上汤姆逊热和被导体释放的焦耳热，则构成了完整的热电能量转换流程。

热源所消耗的热量是帕尔帖热、由于热传导迁移到冷端的热和热源由于电流存在所产生的焦耳热三部分組成。整个热电能量转换系统的热电转换效率即为有用功率与热源所消耗的热量之比。获取高数值的热电能量转换效率，与获取高数值Ｓｅｅｂｅｃｋ系数，高数值导电率以及低数值导热系数紧密相关。Ｓｅｅｂｅｃｋ系数、导电率和导热系数都在不同程度上依赖于载流子浓度和迁移率。因此，整个热电能量转换系统的热电转换效率与系统中载流子的浓度和迁移率是息息相关的。

当前国际研究现状是美日两国对热电材料与工程研究投入的最多，1993年美国麻省理工学院的一位教授从理论上预言，在纳米尺度下，半导体材料的热电优值系数可大大提高，若果真如此，则温差发电机的效率将大大提高。其后，美国的许多研究机构立即开展实验研究。，基本证实了其原理。当前在美国海军部强有力的经费支持下，美国开始了新一轮的热电材料研究，其特点是以MIT教授理论为基础，采用各种高科技手段制备纳米结构的热电材料，研究其性能。日本的研究侧重于废热利用，同时相应的着力于耐高温陶瓷温差材料的研究。主要研究用于日本固体废物焚烧炉的温差发电技术，他们提出的目标有:热点转换器的能量转换效率高于5%，工作寿命至少15年。

此外日本各大学和研究机构在温差发电的材料基础研究和工业生产技术应用方面也做了大量工作。如研制出各种构型的温差电模块。国际上有很多大学科研机构与工业研究所正从事温差发电材料与工程研究。如日本的Nagoya技术研究所。日本国防科学院材料科学与工程部。美国的Hi-Z工业公司，MIT电子工程与计算机科学系。MIT物理系，东北大学物理与天文系。德国的杜斯伯格Gerhard-Mercator大学固体物理实验室。瑞典的皇家工业研究院。俄罗斯的约飞物理技术研究所等。

我国在温差发电领域的研究相对来说比较缓慢。主要因为我国在军事高技术方面相对落后。未能刺激起足够的需求。在国内研究热电材料和工程研究比较著名的高内高校有清华大学，上海交通大学、武汉理工大学等高校。