溫差發(fā)電技術(shù)及其一些應(yīng)用

2024年2月20日發(fā)(作者：賓語從句的語序)

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溫差發(fā)電技術(shù)及其一些應(yīng)用

來源：能源技術(shù) 2009-5-12

1 溫差發(fā)電的原理

溫差發(fā)電是利用兩種連接起來的導(dǎo)電體或者半導(dǎo)體的塞貝克效應(yīng)（Seebeck

Effect），將熱能轉(zhuǎn)換成電能的一種技術(shù)。由兩種不同類型的半導(dǎo)體構(gòu)成的回路如圖1，當(dāng)裝置的一端處于高溫狀態(tài)另一端置于低溫狀態(tài)下，就會在回路中形成電動勢：

ε = αs（T1-T2） （1）

式中：T1為低溫度端溫度，K；T2為高溫端溫度，K；αs為所用熱電轉(zhuǎn)換材料的塞貝克系數(shù)，V/K。

圖1 溫差發(fā)電原理圖

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在應(yīng)用時多個PN結(jié)串聯(lián)起來，構(gòu)成一個熱電轉(zhuǎn)換模塊（見圖2），目前已有產(chǎn)品面市。例如圖3為Hi-z公司生產(chǎn)的熱電轉(zhuǎn)換模塊系列，該模塊系列能在-20℃到300℃的溫度范圍內(nèi)有效地進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，輸出功率為2.5~19W，負(fù)載電壓為1.65~3.30V。

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圖2 熱電模塊結(jié)構(gòu)示意圖

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圖3 Hi-z生產(chǎn)的熱電轉(zhuǎn)換模塊系列

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2 熱電材料的研究進(jìn)展

熱電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換的效率很大程度上決定于其組成材料的性能，溫差發(fā)電的電動勢不但取決于材料的塞貝克系數(shù)αs，而且和高低溫端間的溫差△T和有關(guān)，從而與材料的導(dǎo)熱有關(guān)，另外輸出電流還與材料的導(dǎo)電率有關(guān)，所以常用熱電轉(zhuǎn)換材料的優(yōu)值Z評價(jià)材料的熱電性能：

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Z=（αs）σ/λ （2）

式中：αs為塞貝克系數(shù)，σ為電導(dǎo)率，λ為熱導(dǎo)率。

Z的量綱為K-1，研究分析中優(yōu)值又常采用優(yōu)值Z和工作溫度T的無量綱ZT表征。提高材料的優(yōu)值是研究開發(fā)高效熱電轉(zhuǎn)換材料的主要方向，通常有以下幾種途徑：①選擇最佳載流子度；②提高載流子遷移率與晶格熱導(dǎo)率的比；③改變晶體取向；④改變顆粒尺度使顆粒間既能導(dǎo)電同時聲子散射又比較顯著，促使顆粒定向分布；⑤選擇最佳的工作溫度及材料的禁帶寬度。已有的研究資料表明，在室溫下熱電轉(zhuǎn)換材料的優(yōu)值只要能大于3，熱電效率就可以達(dá)到令人較滿意的水平并可以推廣應(yīng)用。目前熱電材料的研究主要集中在以下幾個方面。

（1）改進(jìn)材料微觀結(jié)構(gòu)，例如結(jié)構(gòu)納米化。通過納米技術(shù)在熱電材料中摻入納米尺寸的雜質(zhì)相制備納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱電材料（雜質(zhì)相可為絕緣體、半導(dǎo)體或是金屬，也可以為納米尺寸的空洞），通過調(diào)整或者控制摻入雜質(zhì)的成份、結(jié)構(gòu)和大小得到納米級的新相，達(dá)到提高熱電材料ZT值的目的。

（2）開發(fā)梯度結(jié)構(gòu)材料。功能梯度材料主要有兩種：一種是載流子濃度梯度熱電材料，即沿著材料的長度方向載流子濃度被優(yōu)化，讓材料的每一部分在各自的工作區(qū)達(dá)到最大的優(yōu)值；另一種是分段復(fù)合梯度熱電材料，由不同材料連接構(gòu)成，每段材料工作在最佳溫度區(qū)，可在大溫差范圍內(nèi)工作從而達(dá)到較高的熱電轉(zhuǎn)換效率。

日本研究人員發(fā)現(xiàn)采用5種不同載流子濃度值的PbTe在300~1000K的溫度范圍內(nèi)梯度化，其平均熱電優(yōu)值比單一材料增加1.5倍左右。Muller等利用4層不同摻雜濃度的FeSi制備出熱傳感器并對其進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)該元件在-50~500℃的范圍內(nèi)Seebeck系數(shù)保持在270μV/K，波動小于±2%。Kang等研究了SiGe/PbTe/Bi2Te3三段層狀熱電元件，工作溫度從室溫到1073K，最大效率可達(dá)17%；對二元（PbTe）1-2(SnTe)合金進(jìn)行Ag元素?fù)诫s并實(shí)現(xiàn)三段結(jié)構(gòu)梯度化，結(jié)果表明三段梯度熱電材料PbTe/(PbTe)0.8（SnTe）0.2/(PbTe)0.6（SnTe）0.4的最大輸出功率達(dá)175W/m2，性能比單段材料至少提高16%。

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（3）新的材料制備方法與工藝的研究，如熔體生長法和粉末冶金法，絕緣層和導(dǎo)電層交叉分層。麻省理工學(xué)院的Hicks和Dreslhaus提出若能在Bi2Te3層狀物質(zhì)的層中插入絕緣層，ZT值則可以增加3倍。目前，Vanka-tasubmanian等人研制的Bi2Te3-Sb2Te3超晶格材料，其P型樣品的ZT值已經(jīng)超過了2.4。

3 溫差發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

3.1 空間探索方面

航天器常用的供能方式是太陽能供電，但這種方式往往只適用于工作在有一定的太陽輻射量的空間中的航天器，在太陽能電板接收不到太陽輻射而無法發(fā)揮作用時，同位素溫差發(fā)電器（RTG，Radioisotope Thermoelectric generator）便成為首選的最佳替代動力源（圖4）。同位素溫差發(fā)電器利用放射性同位素衰變時產(chǎn)生的熱量經(jīng)塞貝克效應(yīng)轉(zhuǎn)變成電能，具有性能可靠、熱源穩(wěn)定、壽命長和能量密度高（100kWh/kg）等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 RTG裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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在放射性同位素溫差發(fā)電器研究應(yīng)用方面，美國處于領(lǐng)先地位。2003年6月10日和7月7日分別發(fā)射的兩個火星探測器（“勇氣”和“機(jī)遇”號），2006年2月18日發(fā)射的用于探索冥王星的“新視野”號（New Horizons）行星探測器（圖5），均采用放射性元素'.

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钚衰變經(jīng)溫差發(fā)電器為探測器提供電力，其中“勇氣”號和“機(jī)遇”號上各裝配8臺Pu放射性溫差發(fā)電器，每臺發(fā)電器能提供1W的電力，以確保兩探測器上的電子儀器和運(yùn)行系統(tǒng)能安全度過火星夜晚（-105℃），使其能維持在-55℃以上的工作溫度。“新視野”號上的溫差發(fā)電器能提供30V，240W的電力。

圖5 新視野號

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在我國已經(jīng)通過論證的探月二期工程中，將采用同位素溫差發(fā)電器提供動力，提供常值負(fù)載和CPU用電，而余下的熱量還可以給航天器系統(tǒng)中科學(xué)儀器及平臺保溫，使其能在月夜極端低溫環(huán)境（-170℃）中正常工作。

目前應(yīng)用比較成熟的空間同位素電池?zé)犭娹D(zhuǎn)換效率較低，提高熱電轉(zhuǎn)換效率是空間放射性同位素溫差發(fā)電器一直追求的目標(biāo)。為了提高同位素溫差發(fā)電器熱電轉(zhuǎn)換效率，美國能源部還提出了先進(jìn)同位素發(fā)電體系（ARPS）的開發(fā)計(jì)劃，其中包括堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器（AMTEC）和熱-光生伏打轉(zhuǎn)換器（TPV）。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器利用液態(tài)金屬離子將紅外輻射轉(zhuǎn)換為電能，熱光生伏打轉(zhuǎn)換器則使用鎵-銻紅外光電電池直接將同位素輻射熱能轉(zhuǎn)換成電能，利用這兩種工藝制成的溫差發(fā)電器比常用的同位素溫差發(fā)電器（RTG）轉(zhuǎn)換效率高2~3倍。

3.2 汽車尾氣余熱回收

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汽車發(fā)動機(jī)排氣所帶走的熱量占所消耗的燃料產(chǎn)生熱量的40%，殘余廢氣的溫度約在800℃左右，可以利用溫差發(fā)電技術(shù)回收尾氣余熱進(jìn)行發(fā)電。研究表明，輕型車廢氣溫度達(dá)到700℃（937K），廢氣流速達(dá)到20g/s，中型車廢氣溫度達(dá)到512℃（785K），廢氣流速達(dá)到30g/s時，利用溫差發(fā)電能達(dá)到5~6kW的電能。圖6是美國在Mack柴油機(jī)上裝配了溫差發(fā)電器的汽車，排氣管中安裝72個溫差轉(zhuǎn)換模塊，汽車行駛中能提供2~4kW的電功率。

圖6 裝配溫差發(fā)電器的柴油汽車

3.3 海洋溫差能的利用

海洋溫差發(fā)電，從南緯20度到北緯20度，海洋水表層溫度常年保持在25~29℃之間，而海洋深處500~1000m處的海水溫度則保持在4~7℃，與海水表層之間存在著15~20K左右的有效溫度，成為可以利用的能源資源，據(jù)估算，理論上全世界海洋溫差能儲量為100億kW。海洋溫差發(fā)電有多種技術(shù)，利用塞貝克熱電器件發(fā)電是其中之一。日本在利用海洋溫差發(fā)電方面一直處于領(lǐng)先地位，圖7為日本開發(fā)的海洋溫差發(fā)電器，共由500組熱電轉(zhuǎn)換器件構(gòu)成。

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圖7 海洋溫差發(fā)電器

海洋溫差發(fā)電是一種可再生的清潔能源，雖然目前的能量轉(zhuǎn)換效率非常低（大約僅相等于一般火力發(fā)電的1/20）投資費(fèi)用也很高，但是建成后極低的成產(chǎn)成本，對于電力價(jià)格本來就比內(nèi)陸高的熱帶海島地區(qū)，海洋溫差發(fā)電的價(jià)格已經(jīng)具有競爭力。資料報(bào)道，印度公共電力部門從已經(jīng)建成的海洋溫差電站購買電力的價(jià)格僅為6.5美分/kWh。

對海洋溫差發(fā)電及其相關(guān)技術(shù)展開研究，是一項(xiàng)考慮長遠(yuǎn)可持續(xù)能源需求的高技術(shù)投資項(xiàng)目，雖然不能指望它很快見到實(shí)效，但是它在未來能源資源的多樣化、可持續(xù)化中的作用，以及它的環(huán)境效益和長遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益都將難以估量。

3.4 邊遠(yuǎn)地區(qū)供電

對于邊遠(yuǎn)地區(qū)，高原地區(qū)，遠(yuǎn)離陸地的島嶼等發(fā)電和輸送電困難的地區(qū)，如極地、森林、沙漠等無人地區(qū)的微波中繼站、遠(yuǎn)地自動無線電接收裝置、自動天氣預(yù)報(bào)站、無人航標(biāo)燈、油管的陰極保護(hù)等溫差發(fā)電技術(shù)可發(fā)揮重要的作用。如美國Global Thermoel-ectric Inc生產(chǎn)的用于管道監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、通訊和腐蝕防護(hù)的溫差發(fā)電設(shè)備，輸出功率可達(dá)6kW。部隊(duì)、鐵路、石油等部門在野外作業(yè)時常受電力短缺的困擾，有文獻(xiàn)對利用溫差發(fā)電回收野營燃油暖風(fēng)機(jī)排煙余熱的可行性進(jìn)行了研究，排煙管內(nèi)與管外環(huán)境溫度溫差達(dá)到250K，在40kW的高原暖風(fēng)機(jī)排煙管外壁均勻布置147塊Hi-Z科技公司的HZ-14溫差發(fā)電模塊，可以'.

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產(chǎn)生24.5V電壓，2kW的電能。

3.5 火力發(fā)電廠效率的提高

現(xiàn)在的火力發(fā)電廠熱效率一般為30%~40%，用傳統(tǒng)的熱機(jī)做功發(fā)電方式很難使發(fā)電效率進(jìn)一步提高，如果利用鍋爐爐膛的特殊結(jié)構(gòu)在發(fā)電系統(tǒng)中加入溫差發(fā)電器，就可以找出提高系統(tǒng)發(fā)電效率的途徑。鍋爐爐膛內(nèi)部有熱源產(chǎn)生高溫，一般超過1000℃，與低溫端-爐膛水冷壁存在一定溫差，這為在電站鍋爐爐膛內(nèi)應(yīng)用溫差發(fā)電器提供了溫差條件。目前應(yīng)用于電站鍋爐爐膛內(nèi)的堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器（AMTEC），要求低溫端為100~300℃，高溫端為700~1000℃，效率可達(dá)30%~40%，提高系統(tǒng)發(fā)電效率5%~7%。

目前應(yīng)用于火力發(fā)電廠的溫差發(fā)電方式主要存在以下不足：首先是較低的電壓與電流，熱電轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)生的是低電壓直流電，因此電壓需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換；其次是熱電器件相對于較高的電壓電流的適應(yīng)性需要考慮；再次是熱阻影響，加入熱電器件后必然加大爐膛傳熱熱阻，熱阻的大小直接影響爐膛受熱面積的大小，使用時需要對其具體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化。

3.6 垃圾焚燒熱發(fā)電

小型垃圾焚燒爐一般間歇發(fā)電，采用溫差發(fā)電方式發(fā)電，將發(fā)電裝置設(shè)在熔融爐排煙部分的爐壁上，直接把燃燒熱能轉(zhuǎn)換成電能，可以省去了余熱鍋爐汽輪發(fā)電機(jī)以及蒸汽循環(huán)所需的附屬設(shè)備。日本建立的500W級垃圾燃燒余熱發(fā)電示范系統(tǒng)，取得了良好的實(shí)際效果，圖8為利用垃圾焚燒余熱發(fā)電系統(tǒng)，最大輸出功率為1173.5W。

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圖8 利用垃圾焚燒余熱發(fā)電系統(tǒng)

3.7 工業(yè)余熱回收

工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱數(shù)量相當(dāng)可觀，如氣輪機(jī)，內(nèi)燃機(jī)等熱機(jī)燃料所產(chǎn)生的能量50%左右通過排煙擴(kuò)散到了大氣中，鋼鐵、水泥以及紡織工業(yè)等在生產(chǎn)過程中也有大量余熱沒有充分利用，研究表明采用溫差發(fā)電技術(shù)可以有效利用余熱中10%~20%的能量。對內(nèi)燃機(jī)電站廢氣進(jìn)行溫差發(fā)電的研究表明，對于一個10MW的機(jī)組，如果排氣溫度為370℃，煙氣流量6萬m3/h，采用溫差發(fā)電扣除掉維持系統(tǒng)自身遠(yuǎn)行的冷卻水泵消耗功率后可以得到160kW的功率，轉(zhuǎn)換效率為3.88%。

3.8 其他方面的應(yīng)用

圖9為已經(jīng)商品化的新型手表，它利用人體所提供的熱量作為電源，利用熱電微器件發(fā)電系統(tǒng)將熱能轉(zhuǎn)換為電能，當(dāng)手表被戴在人的手腕上經(jīng)過一段時間穩(wěn)定后，安裝在手表內(nèi)部的微型發(fā)電元件的冷端面溫度為29℃，熱端溫度為30℃，在手表的接觸面積上，人體能提供的熱量大約為50mW，經(jīng)轉(zhuǎn)換能得到25mW的電能。該新型手表的微型電源整體尺寸為2mm×2mm×1.3mm，每根P型（N型）熱電微柱的尺寸為80μm×80μm×600μm。

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圖9 利用熱電發(fā)電系統(tǒng)作為電源的新型手表

美國卡爾帝夫大學(xué)（Cardiff University）的Rowe教授演示了一種利用人沐浴后浴缸剩余的廢熱進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)，發(fā)電量可以使一臺彩色電視機(jī)連續(xù)工作1h。

微型的半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置還可以應(yīng)用中生物醫(yī)學(xué)中作為心臟起搏器的電源。美國加州的熱力生命能量公司研制成功的微型系統(tǒng)可以利用5K的溫差發(fā)電100μW，美國北卡三角州國際研究院采用納米材料制的1cm3大小半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置，利用0.9K溫差可以輸出功率144μW，考慮到能量損失最終輸出電量也達(dá)到了67μW，足以維持心臟起搏器正常工作。

4 展望

半導(dǎo)體溫差發(fā)電設(shè)備體積小、運(yùn)行無噪音、工作壽命長、無污染，正受到越來越多的關(guān)注，雖然目前轉(zhuǎn)換效率較低（6%~11%），但是隨著對熱電轉(zhuǎn)換材料研究的深入和熱電材料性能的提高，溫差發(fā)電技術(shù)將會得到廣泛的應(yīng)用，給生活和生產(chǎn)用能帶來巨大改變。

在今后的溫差發(fā)電研究中，研究重點(diǎn)應(yīng)集中在以下幾個方面。

（1）利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體能帶理論和現(xiàn)代量子理論，對具有不同晶體結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行賽貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的計(jì)算，以求能在更大范圍內(nèi)尋找熱電優(yōu)值'.

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ZT更高的熱電材料。

（2）進(jìn)一步研究熱電材料的微觀結(jié)構(gòu)和制造工藝對熱電性能的影響，開發(fā)新型的超晶格熱電材料和納米熱電材料提高材料的熱電性能。

（3）加強(qiáng)器件的制備工藝研究，降低成本促進(jìn)熱電材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

（4）積極研發(fā)新型的溫差發(fā)電系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)，如熱電共生系統(tǒng)、高能量密度溫差發(fā)電模塊、加熱循環(huán)熱電燃燒系統(tǒng)等，采用強(qiáng)化熱電直接轉(zhuǎn)換技術(shù)開發(fā)出大功率、高性能和高經(jīng)濟(jì)性的轉(zhuǎn)換器件和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

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