導(dǎo)讀：當(dāng)今，化石能源短缺和環(huán)境污染問題凸顯，能源的多元化和高效多利用成為解決能源與環(huán)境問題的一個(gè)重要途徑。作為一種綠色能源技術(shù)和環(huán)保型制冷技術(shù)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是利用材料的塞貝克效應(yīng)與帕爾貼效應(yīng)將熱能和電能進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換的技術(shù)，包括熱電發(fā)電和熱電制冷。這種技術(shù)具有系統(tǒng)體積小、可靠性高、不排放污染物、適用溫度范圍廣等特點(diǎn)。熱電器件可以實(shí)現(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)換，在廢熱回收和固態(tài)制冷領(lǐng)域具有重要的研究價(jià)值，對熱電發(fā)電器件的能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行測量是評價(jià)熱電材料和器件性能的重要基礎(chǔ)。
物聯(lián)網(wǎng)（ IoT ，Internet of Things ）即“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，通過將射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，人、機(jī)、物的互聯(lián)互通。目前常用紐扣電池（coin cell）為物聯(lián)網(wǎng)硬件供電，但由于高昂的更換費(fèi)用及低可回收性，紐扣電池并不是一種理想電源。其他能量收集技術(shù)中，太陽能（solar cell）是一個(gè)可行方案且已經(jīng)在某些領(lǐng)域中得到應(yīng)用；另一種被廣泛看好的技術(shù)為熱電轉(zhuǎn)換。如何將周圍環(huán)境中的低溫廢熱（<473K）有效回收并轉(zhuǎn)換為電能是熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)能否大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。
目前商用的熱電轉(zhuǎn)換模塊（TEG）多使用Bi-Te基熱電材料，但Bi及Te均為稀有元素且Te元素的毒性限制了其大規(guī)模應(yīng)用，據(jù)測算，地殼中的全部Te元素?zé)o法滿足百萬兆別物聯(lián)網(wǎng)硬件的供電，因此亟需尋找一種環(huán)境友好且可以大量生產(chǎn)的熱電材料。與Bi-Te基熱電材料相比，在473K以下有著良好熱電轉(zhuǎn)換表現(xiàn)的熱電材料選擇并不多，曾有報(bào)道指出，Mg-Sb基熱電材料可部分應(yīng)用于低溫廢熱回收。
近日，來自日本國立材料研究所（NIMS）及茨城大學(xué)（Ibaraki University）的研究人員使用低成本的Fe-Al-Si基熱電材料（FAST）制備了熱電轉(zhuǎn)換模塊，并對其熱電轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行了研究。分別使用兩種方法制備的Fe-Al-Si基熱電材料，并使用多種檢測手段對其電學(xué)特性及熱電轉(zhuǎn)換性能分別進(jìn)行了表征。
圖1 電導(dǎo)率（a, b）；塞貝克系數(shù)（c, d）；功率因子（e, f）與溫度的關(guān)系
（a, c, e: n-type; b, d, f: p-type）
在進(jìn)行了材料電輸運(yùn)特性的測試后科研人員隨后采用了下圖中的步驟制備了熱電轉(zhuǎn)換模塊（TEG），并對其熱電轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行了測試。
圖2 熱電轉(zhuǎn)換模塊（TEG）制備流程
經(jīng)測試，使用Fe-Al-Si基熱電材料制備的熱電轉(zhuǎn)換模塊，其在室溫及小溫差條件（～5K）下的開路電壓及輸出功率數(shù)值均符合預(yù)期，并使用其為藍(lán)牙通訊模塊供電以驗(yàn)證其可靠性，更多測試結(jié)果請參考原文[1]。
圖3 熱電轉(zhuǎn)換模塊（TEG）的開路電壓及輸出功率
以上工作中，材料的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)使用日本Advance Riko公司生產(chǎn)的塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM-3測得，熱電轉(zhuǎn)換模塊（TEG）的開路電壓及輸出功率使用日本Advance Riko公司生產(chǎn)的小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM測得。日本Advance Riko公司已專業(yè)從事“熱”相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研究開發(fā)近60年，并一直走在相關(guān)領(lǐng)域的前端，為各地的科學(xué)研究及生產(chǎn)活動提供了諸如紅外加熱、熱分析/熱常數(shù)測量等系統(tǒng)。2018年初，Quantum Design 中國公司將日本Advance Riko公司的先進(jìn)熱電材料測試設(shè)備：小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM、塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM、熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM及大氣環(huán)境下熱電材料性能評估系統(tǒng)F-PEM引進(jìn)中國。
2018年7月，Quantum Design中國與日本Advance Riko達(dá)成協(xié)議，作為其熱電材料測試設(shè)備在中國的代理商繼續(xù)合作，攜手將日本Advance Riko先進(jìn)的熱電相關(guān)設(shè)備介紹到中國。
目前，所有中國用戶購買的日本Advance Riko熱電產(chǎn)品，均由Quantum Design中國公司的工程師團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)安裝及售后服務(wù)。同時(shí)，Quantum Design 中國公司在日本Advance Riko公司的協(xié)助下，在北京建立部分熱電設(shè)備示范實(shí)驗(yàn)室和用戶服務(wù)中心，更好的為中國熱電技術(shù)的發(fā)展提供設(shè)備支持和技術(shù)服務(wù)。
參考文獻(xiàn)：
[1]. Yoshiki Takagiwa, Teruyuki Ikeda, and Hiroyasu Kojima, Earth-Abundant Fe?Al?Si Thermoelectric (FAST) Materials: from Fundamental Materials Research to Module Development, ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 43, 48804–48810
相關(guān)產(chǎn)品：
塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)-ZEM：http://buyu5683.com/product/2018030736.shtml
小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)-Mini-PEM：http://buyu5683.com/product/2018030739.shtml
熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)：http://buyu5683.com/product/2018030737.shtml
