冷能温差发电技术及材料研究进展
温差发电技术研究综述
温差发电技术研究综述
温差发电技术研究综述
温差发电技术是一种以温差能作为能源转化为电能的可再生能源技术。
它利用温度差和流体的性质，将温度差转化为电能，从而获取电能。
近几年来，温差发电技术受到了越来越多的关注，研究者们都在积极
的研究这项技术，并取得了一些重要的成果。
温差发电技术有多种不同的实现方式，其中最常用的是温差热泵、温
差热电联产、温差热电发电、温差热电膜、温差热电动力系统等。
温
差热泵是一种将温差能转化为机械能的装置，它利用热泵原理将低温
热源中的热能转移到高温热源，从而获得机械能，再将机械能转换为
电能。
温差热电联产是将温差能直接转化为电能的装置，它将一个温
差热电膜的温度差和电压差用于直接产生电能。
温差热电发电利用温
度差来产生电势差，从而将温差能转换为电能。
温差热电膜利用温度
差来控制流体的流动和压力，从而产生电能。
温差热电动力系统利用
温度差产生动能，从而转换为电能。
综上所述，温差发电技术是一种具有前景的可再生能源技术，它能够
将温差能转化为电能，有效地利用这种可再生能源，从而节省能源和
环境保护。
温差发电技术的研究进展及现状
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｎｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｇａｐ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＺＨＡＮＧ Ｆｅｎｇ （Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｂｒａｎｃｈ ｏｆ Ｓｈａｎｘｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００００，Ｃｈｉｎａ）
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇａｐ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ；ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
为了更好的保障 电 力 稳 定，各 种 发 电 技 术 不 断 地 被研究开发。温差发电技术的应用代表了我国在发电 技术方面取得突破。
１ 温 差 发 电 技 术 的 原 理
２ 温 差 发 电 技 术 研 究
２．１ 国 内 的 温 差 发 电 技 术 的 研 究 现 状 中国在温差发电 技 术 的 研 究 方 面 起 步 比 较 晚，目
前对于温差发电技术的研究主要集中在对理论的研究 以及对热电材料的考察。根据著名学者陈金灿所研究 的 课 题 ，早 在 ２０ 世 纪 ８０ 年 代 ，我 国 就 已 经 开 始 进 行 对 温差发电技术的理论 研 究，但 当 时 的 研 究 都 是 以 基 础 理 论 为 主 ，更 多 关 注 的 是 对 温 差 发 电 技 术 的 性 能 优 化 ， 以此来帮助今后 对 温 差 技 术 的 研 究 取 得 更 多 成 果 。 ［２］ 相关技术人员凭借着研究小组之间的配合得出了越来 越多关于温差发电的 相 关 理 论 性 知 识，并 进 行 了 多 次
张 峰 （国网山西省电力公司信息通信分公司，山西 太原 ０３００００）
温差发电技术的研究进展及现状
温差发电技术的研究进展及现状
赵建云;朱冬生;周泽广;王长宏;陈宏
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2010(034)003
【摘要】温差发电技术是一种绿色环保的发电方式,它可以合理利用太阳能、地热能、海洋热能、工业余热废热等低品位能源转化成电能.介绍了温差发电技术的原理,回顾了国内外的研究进展及现状,对温差发电中存在的发电效率低、温差电组件使用寿命短、可靠性不高等问题进行了分析,并提出了解决的办法.同时指出随着热电材料和温差电组件性能的提高,温差发电技术的优势将更加明显,应用前景广阔.【总页数】4页(P310-313)
【作者】赵建云;朱冬生;周泽广;王长宏;陈宏
【作者单位】华南理工大学,化学与化工学院,传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东,广州,510640;华南理工大学,化学与化工学院,传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东,广州,510640;华南理工大学,化学与化工学院,传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东,广州,510640;广东工业大学,材料与能源学院,广东,广
州,510075;华南理工大学,化学与化工学院,传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东,广州,510640
【正文语种】中文
【中图分类】TM913
【相关文献】
1.汽车尾气余热温差发电技术研究进展与发展趋势 [J], 王宾;赵德龙;陶新良
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3.冷能温差发电技术及材料研究进展 [J], 胡放;戚学贵;王学生;任超;代晶晶
4.温差半导体发电技术研究现状 [J], 陈宏涛;肖爱玲
5.太阳能温差发电技术的研究进展 [J], 朱冬生; 吴红霞; 漆小玲; 周泽广
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温差发电专利技术分析及发展预测
温差发电专利技术分析及发展预测温差发电技术是一种利用温度差异产生电能的技术。
它基于热流动原理，通过热源和冷源之间的温差来产生能量，从而驱动发电机发电。
温差发电技术具有以下优点：高效性、环保性、可持续性和低成本等。
因此，它被认为是一种具有广泛应用前景的发电技术。
目前，温差发电技术主要有以下几种形式：1.热电效应温差发电技术：该技术基于热电转换原理，利用材料的热电效应来产生电能。
常见的材料包括热电材料和热电半导体材料。
该技术的发电效率较高，可用于工业废热回收和太阳能热发电等领域。
2.熔盐温差发电技术：该技术利用熔盐中的热能差异产生电能。
熔盐具有良好的热导性和热稳定性，可用于储能和发电。
该技术可应用于太阳能热发电和核能电站等领域。
3.混合工质温差发电技术：该技术将两种具有不同蒸汽压力的工质进行混合，利用温差将工质的热能转化为机械能，进而驱动发电机发电。
该技术在地热能利用和生物质发电领域有广泛应用。
温差发电技术的发展预测如下：1.技术升级：随着科学技术的不断发展，新材料和新技术将被应用于温差发电领域。
例如，新型热电材料和先进的热电转换设备将大幅提高发电效率。
2.应用领域扩展：温差发电技术将在更多领域得到应用，如家庭供暖、工业废热回收、海洋能利用等。
这将进一步推动技术的发展和应用。
3.温差资源开发：温差发电技术将有助于利用地热能、太阳能、工业废热等温差资源，以提供更清洁、可持续的能源供应。
4.国际合作与市场拓展：温差发电技术在国际上也受到广泛关注。
各国将加强合作，共同推动技术的研发和应用。
同时，温差发电技术的市场前景也将进一步扩大。
总之，温差发电技术是一种具有广泛应用前景的发电技术。
随着技术的不断升级和应用领域的扩展，温差发电技术将为我们提供更多清洁、可持续的能源选择。
低温差发电的原理与应用
低温差发电的原理与应用低温差发电是一种利用低温热源和高温环境之间的温差进行能量转换的发电技术。
它的原理基于热电效应，即通过材料的热载流子扩散来产生电流。
在低温热源一侧，热载流子被加热并变得高能量，然后通过材料的热载流子扩散，到达高温环境一侧，释放出能量，同时产生电流。
1.温差利用：低温差发电可以利用各种温差资源，如温泉、大海、地下水等。
在这些低温环境中，通过低温差发电技术，可以将废热转化为电能，提高能源利用效率。
2.环境能源利用：低温差发电技术可以在自然环境中利用环境温差来产生电能。
例如，太阳能光热系统可以利用太阳辐射产生的温差来发电。
3.工业应用：低温差发电技术可以应用于工业生产过程中的废热利用。
例如，石化、电力、冶金等行业产生的大量废热可以通过低温差发电技术转化为电能，降低能源浪费。
4.家用电器：低温差发电技术可以应用于可穿戴设备、移动设备等小型电子产品，为其提供可持续的电力支持。
例如，通过人体的体温差来发电，为可穿戴设备提供动力。
5.生命科学：低温差发电技术在生命科学领域的应用也非常广泛。
例如，可以利用人体和动物体内的温差来产生微小的电量，为生物传感器、植入式医疗设备等提供电力支持。
1.材料的研发：目前低温差发电技术主要依赖于热电材料，因此研发高效的热电材料是发展的重中之重。
科学家们正在研究各种新型热电材料，以提高能量转换效率。
2.系统集成：低温差发电技术需要与其他能源转换装置相结合，形成一个完整的能源系统。
因此，研发高效的系统集成技术，可以提高低温差发电技术的整体性能。
3.应用拓展：低温差发电技术的应用领域还有很大的拓展空间。
科学家们正在研究将低温差发电技术应用于更多领域，如智能建筑、交通运输等，以满足不同领域的能源需求。
温差发电现状
温差发电现状
随着全世界走向可再生能源的发展趋势，温差发电技术也逐渐成为现代能源竞争中的新热点。
在过去几年里，温差发电技术已经发展得很快，因为它可以有效利用温差来发电，提供可持续、便宜、安全、低碳排放的绿色能源。
可以说，温差发电技术是一项伟大的创新，它采用多种技术来利用温差能量发电，例如热电技术、压缩热循环技术、电子热封技术等。
与常规的电力发电技术相比，温差发电可以以更少的能耗和更低的成本满足人们对电力的需求。
在最近几年，温度差发电技术已经得到了广泛应用，例如热电技术。
热电技术是温差发电技术中最常见的形式，利用温度差，制造电力。
它更加环保，可以有效利用自然资源，不会污染大气。
比如，太阳能热电技术就是一种采用热电技术的发电方式，它利用太阳能发电，可以有效减少大气污染，给大众带来更多的清洁能源可见。
此外，热压缩循环技术也被广泛用于温度差发电。
热压缩循环技术利用温度差发电。
它将低温的外部空气转换成高压热气体，随后驱动活塞引擎，活塞引擎可以产生电力。
另外，电子热封技术也被广泛应用于温度差发电。
电子热封技术利用温度差，制造电力。
它可以在低温环境中运行，可以有效利用外部温度差来产生能源，而不损耗能源。
总之，温差发电技术对全球的电力革新、环保革新起着重要的作用，是解决全球能源危机的有力替代方案。
它可以有效利用温差能量，
为人类提供安全、优质、可再生的能源。
展望未来，温差发电技术将会更加发达，扮演更重要的角色，为人类可持续发展作出贡献。
温差发电器的研究进展
温差发电器的研究进展摘要：温差是一种丰富的自然资源，随着社会的发展和科技水平的提高，人们开始逐渐认识和利用这种新型环保能源，其中温差发电器就是典型的产物之一。
温差发电器可以将热能转化成电能的固态装置，具有结构简单、稳定可靠、无噪音、使用寿命长、绿色环保等多个优点，深受人们的青睐，被广泛应用于航天、军事、民用工业等领域。
本文阐述了温差发电器的原理，简要的介绍了低级热温差发电器、烃燃料温差发电器以及放射性同位素温差发电器等，对比国内外各类温差发电的研究进展及现状，并指出各类温差发电的应用前景，并对其性能进行对比分析。
关键词：低级热温差发电器、烃燃料温差发电器、放射性同位素温差发电器1、前言目前国外温差发电技术已经在航空航天、军事和远距离通信等高科技领域得到应用，而在民用方面，主要的研究方向是利用工业余热、垃圾焚烧、汽车尾气以及海洋温差、地热自然热等形式产生的温差进行电能的转化，极大地提高了能源利用效率[1]。
根据使用热源的种类不同，可将温差发电器分为低级热温差发电器、烃燃料温差发电器、放射性同位素温差发电器下文就简要介绍这几种不同热源材料的温差发电器。
2、温差发电器的原理温差发电技术是基于塞贝克（Seebeck）效应发展起来的，赛贝克效应是一种由于导体的温度差而导致电动势产生的现象。
将两种不同的热电材料（P型和N 型）的一端通过优良导体Cu连接起来，另一端则分别与Cu导体连接，构成一个PN结，得到一个简单的热电转化组件，也称为PN热电单元。
在热电单元开路端接入负载电阻，此时若在热电单元一端热流（QH）流入，形成高温端（即热端），从另一端（QC）散失掉，形成低温端（即冷端），于是在热电单元热端和冷端之间建立起温度梯度场。
热电单元内部位于高温端的空穴和电子在温度场的驱动下，开始向低温端扩散，从而在PN电偶臂两端形成电势差，电路中便会有电流产生。
3、低级热温差发电器3.1太阳能光发电太阳能热利用技术按终端使用温度范围大致可分为低温、中温、高温：低温范围在100℃以下；中温为100～300℃之间；高温为300℃以上。
小型温差发电技术研究
小型温差发电技术研究随着可再生能源的发展，温差发电技术逐渐受到人们的关注。
温差发电技术利用温差产生电能，可以充分利用环境中的热能资源，具有环保、可持续的特点。
而在小型温差发电技术方面的研究，更是对能源利用的一种创新，可以为小型设备提供能源支持，为人们的生活提供更多便利。
本文将就小型温差发电技术的研究现状、发展趋势和应用前景进行探讨。
一、小型温差发电技术的研究现状小型温差发电技术是当前热点研究领域之一，国内外学者已经开展了大量的研究工作。
目前，小型温差发电技术主要包括有机朗肯循环、热电效应发电以及热流体发电等多种技术。
有机朗肯循环是一种利用温差产生电能的热力循环系统。
热电效应发电是利用热电材料在温差作用下产生电能，而热流体发电则是通过热传导和对流传热效应，利用温差产生电能。
在小型温差发电技术的研究中，有机朗肯循环因其简单可靠、成熟稳定的特点，受到了广泛的关注。
热电效应发电由于其高效、低成本的特点，也在研究中受到了重视。
而热流体发电则是利用了热传导和对流传热效应，可以应用于一些光热设备中。
小型温差发电技术在不同的领域都有着广泛的应用前景。
二、小型温差发电技术的发展趋势小型温差发电技术的发展趋势主要体现在技术创新、成本降低以及应用推广三个方面。
技术创新是小型温差发电技术发展的关键。
随着科技的不断进步，新型材料、新工艺以及新结构的研发应用，将进一步提高小型温差发电技术的效率和稳定性。
采用纳米材料、多孔结构材料等在小型温差发电器件中的应用，可以增加材料的热传导性能、提高温差利用效率。
成本降低是小型温差发电技术发展的重要方向。
目前，小型温差发电技术的成本相对较高，限制了其大规模应用。
通过工艺优化、设备小型化和材料成本的降低等措施，可以降低小型温差发电技术的生产成本，使其更具竞争力。
应用推广是小型温差发电技术发展的关键。
小型温差发电技术具有非常广泛的应用前景，可以应用于家庭能源供应、无线传感器、智能卫生间等领域。
温差电技术的研究进展
评述第49卷第11期 2004年6月温差电技术的研究进展栾伟玲涂善东(华东理工大学机械工程学院, 上海200237. E-mail: luan@)摘要温差发电是利用热电转换材料将热能转化为电能的全静态直接发电方式, 具有设备结构紧凑、性能可靠、运行时无噪声、无磨损、无泄漏、移动灵活等优点, 有微小温差存在的情况下即可产生电势, 在军事、航天、医学、微电子领域具有重要的作用. 近几年随着能源与环境问题的日益突出和燃料电池的实用困难, 温差电作为适应范围广和符合环保的绿色能源技术吸引了越来越多的关注. 介绍了温差电技术的机理, 综述了最新研究进展和提高发电效率的途径, 并提出利用废热进行温差发电和开发温差电传感器是我国当前应该优先发展的研究方向.关键词温差电热电转换微电池温差电传感器绿色能源进入21世纪后, 伴随着工业化的高速发展, 全球性的环境恶化和能源危机正威胁着人类的长期稳定发展, 各国政府对绿色环保技术的研究与利用给予了前所未有的关注和支持. 当前由于燃料电池在实际应用中遇到的困难使得温差电技术成为引人注目的研究方向. 该技术利用热电转换材料直接将热能转化为电能, 是一种全固态能量转换方式, 无需化学反应或流体介质, 因而在发电过程中具有无噪音、无磨损、无介质泄漏、体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长等优点, 已在军用电池、远程空间探测器、远距离通讯与导航、微电子等一些特殊应用领域发挥了无可替代的作用.温差电技术的研究起始于20世纪40年代, 于20世纪60年代达到高峰, 并成功地在航天器上实现了长时发电. 美国能源部的空间与防御动力系统办公室称温差发电是“被证明为性能可靠、维修少、可在极端恶劣环境下长时间工作的动力技术”1). 但是长久以来, 由于受到热电转换效率的制约和成本的限制, 温差电技术除了在航天和军事等尖端技术领域应用外, 很少用于工业和民用产业. 最近几年, 随着能源与环境危机的日渐突出及一批高性能热电转换材料的开发成功, 温差电技术的研究又重新成为热点[1~8].当前, 科技发达国家已先后将发展温差电技术列入中长期能源开发计划. 美国倾向于军事、航天和高科技领域的应用; 日本在废热利用, 特别是陶瓷热电转换材料的研究方面居于世界领先地位; 欧盟着和运用纳米技术进行产品开发. 我国虽然在半导体热电制冷的理论和应用研究方面具有一定的实力, 但对温差电的研究尚处于起步阶段重于小功率电源、传感器[9~12]. 虽然国外一些公司在上海、杭州等地建立了工厂, 但只是利用中国的资源和劳动力, 我国在技术和产品开发方面仍是空白. 随着温差电技术在军事、航空, 尤其是微型电源、低品位能源、废能源利用方面的应用价值越来越明显, 我国应迅速加大对该技术的开发力度, 尽快实现温差电技术的产业化.1温差发电的原理热电转换材料具有3个基本效应, 即Peltier效应、Seebeck效应和Thomson效应, 这3个效应奠定了热力学中热电理论的基础, 也为热电转换材料的实际应用展示了广阔的前景. 温差电是利用材料的Seebeck效应, 通过载流子(电子和空穴)进行能量的输运. 该效应于1821年由德国人Seebeck发现: 在两种不同金属(锑与铜)构成的回路中, 如果两个接头处存在温度差, 其周围就会出现磁场. 通过进一步的实验, Seebeck发现回路中存在电动势. Seebeck效应是制作测温热电偶、温差发电和温差电传感器的基础.温差发电的原理如图1所示: 将两种不同类型的热电转换材料N和P的一端结合并将其置于高温状态, 另一端开路并给以低温. 由于高温端的热激发作用较强, 此端的空穴和电子浓度比低温端高, 在这种载流子浓度梯度的驱动下, 空穴和电子向低温端扩散, 从而在低温开路端形成电势差. 将许多对P型和N型1) U. S. Department of Energy. Advanced Radioisotope Power Systems, /space/arpsfact.pdf, 2002第49卷 第11期 2004年6月评 述热电转换材料连接起来组成模块, 就可得到足够高的电压, 形成一个温差发电机. 这种发电机在有微小温差存在的条件下就能将热能直接转化为电能, 且转换过程中不需要机械运动部件, 也无气态或液态介质存在, 因此适应范围广、体积小、重量轻、安全可靠、对环境无任何污染, 是十分理想的电源. 温差发电的灵活、绿色、安静和微小体积的特性, 使其可在许多领域发挥重要的作用.图1 利用热电模块进行温差发电的原理2 温差电技术的应用最早的温差发电机于1942年由前苏联研制成功, 发电效率为 1.5%~2%. 之后一些特殊领域对电源的需求大大刺激了温差电技术的发展. 从20世纪60年代开始陆续有一批温差发电机成功用于航天飞机、军事和远洋探索. 近几年随着科学技术的不断进步, 温差发电机正逐渐拓宽其应用领域, 不仅在军事和高科技方面, 而且在民用方面也表现出良好的应用前景. 随着能源与环境危机的日益逼近, 科学家在利用低品位与废能源发电方面加大了研究力度, 部分研究成果已进入产业化. 2.1 远程空间探索自从1969年阿波罗号飞船成功登陆月球, 人类对太空的探索一直在不断深入地进行中. 随着探索空间的拓展, 人们将目标投向更远的星球、甚至是太阳系以外的远程空间. 在远离太阳、黑暗、冰冷和空洞的世界里, 太阳的辐射量极其微小, 太阳能电池很难发挥作用. 使用热源稳定、结构紧凑、性能可靠、寿命长的放射性同位素温差发电系统成为理想的选择. 利用温差电技术, 一枚硬币大小的放射性同位素热源能够提供长达二十年以上的连续不断的电能, 这是其他任何一种能源技术所不能比拟的. 美国国家航空和宇航局(NASA)已先后在其阿波罗登月舱、先锋者、海盗、旅行者、伽利略和尤利西斯号宇宙飞船上使用以各种放射性同位素为热源的温差发电装置[13]. 其中航行者1号飞船需要在太空中进行长达25年的科学考察, 该飞船上的所有电能均由热电转换模块提供. 其发电系统包括1200个温差发电机, 由放射性燃料Pu-238的中子衰减提供热能. 该电力系统已安全运行了21年, 预计可继续工作15至20年.相比于太阳能电池, 放射性同位素温差发电系统不仅具有寿命长和性能可靠的优点, 而且拥有诱人的比体积和比重量. 尤利西斯号飞船如按照太阳能电池进行结构设计, 其携带电池板的重量将达 550 kg, 是飞船自身重量的两倍,对运载火箭来说难以负荷. 而采用温差发电系统时, 发电机的重量只有56 kg, 完全可以满足飞船在航行、通讯和科学仪器使用方面的所有用电要求1). 图2为放射性同位素温差发电系统的外形图, 图3为其剖面图.图2 美国NASA 研制的用于宇宙飞船上的放射性同位素温差发电机的外形图1) U.S. Office of space & defense power systems, Radioisotope power systems. /space/gphs.html, 2003评 述第49卷 第11期 2004年6月图3 放射性同位素温差发电系统剖面图2.2 军事放射性同位素发电机除了在航天领域发挥重要作用外, 海军是其第二大用户. 早在20世纪80年代初, 美国就完成了500~1000W 军用温差发电机的研制, 并于80年代末正式列入部队装备. 其最大的优点是无声音、无振动、隐蔽, 在潜艇、远程信号传输等方面具有重要应用. 将温差发电机放在深海中为无线电信号转发系统供电. 该系统是美国导弹定位系统网络的一个组成部分, 其设计工作深度达10公里, 工作功率大于1W, 寿命在10年以上. 最近Hi-Z 公司为军方开发了基于量子点原理制造的高性能微型温差发电模块[14], 用于船载多种无线传感器的电源供给. 这些传感器肩负着监测断裂、腐蚀、撞击破坏以及温度漂移等多项任务, 惟有温差发电机能满足其对电源尺寸、重量、泄漏和寿命等多方面极高的要求.为满足陆军对电源系统的特殊要求——轻便、灵活、充电方便等, 从1999年开始, 美国能源部启动了“能源收获科学与技术项目”1). 研究利用温差发电 模块, 将士兵的体热收集起来用于电池充电. 其近期 目标是实现对12小时的作战任务最少产出250瓦小时的电能, 目前该研究项目已取得了多项研究成果.2.3 远距离通讯、导航和设备保护温差电技术性能稳定、无需维护的特点使其在发电和输送电困难的偏远地区发挥着重要的作用[15], 已用于极地、沙漠、森林等无人地区的微波中继站电源、远地自动无线电接收装置和自动天气预报站、无人航标灯、油管的阴极保护等. 图4为世界最大的温差发电机生产商——美国Global Thermoelectric Inc 制造的用于管道监控、数据采集、通讯和腐蚀防护的温差发电设备2), 输出功率可达5000W. 前苏联从1960年代末开始先后制造了1000多个放射性同位素温差电机, 广泛用于灯塔和导航标志, 平均使用寿命长于10年. 该类型发电机以Sr90为热源, 可稳定提供7~30V, 80W 的输出3).图4 用于天然气管道监控、数据采集、通讯和阴极保护的温差发电装置2.4 小功率电源体积小、重量轻、无振动、无噪音使温差发电机非常适合用作小功率电源 (小于5W). 在各种无人监视的传感器、微小短程通讯装置以及医学和生理学研究用微小型发电机、传感电路、逻辑门和各种纠错电路需要的短期微瓦、毫瓦级电能方面, 温差电技术均可发挥其独特的作用[16,17]. 图 5 是Hi-Z 公司制造的可协调荷载的微电池, 其输出功率可达 2.5W, 输出电压3.3V 4).1) U.S. Department of defense, 99-651 Energy Harvesting. , 19992) Global Thermoelectric Inc. About generators. /genabout-frames.html, 20013)Alimov R. Radioisotope thermoelectric generators. http://www.bellona.no/en/international/russia/navy/northern_ fleet/incidents/31772.html, 20034) Hi-Z Technology Inc. HZ-2 thermoelectric module. /websit02.htm, 2003美国航天局所属的喷气推进实验室(Jet Propul-sion Laboratory) 开展了输出功率为10~600mW 、尺第49卷 第11期 2004年6月评 述寸为cm 2量级的可集成通用型温差电微电池系统研究[18]. 经过三年的项目开发, 目前一些产品已进入实用阶段.图5 美国Hi-Z 公司制造的可协调荷载的微电池日本精工仪器公司研制出一种利用人的体温发电的手表用微型电池[19]. 该电池使用BiTe 块状材料, 电池尺寸为2 mm ×2 mm ×1.3 mm, 由50对元件串联组成, 1K 的温差可产生20 mV 的电压, 输出功率为1 µW.德国D.T.S 公司在输出功率为10~40 µW 的薄膜型温差发电机的生产方面占有世界领先地位1). 2.5 温差电传感器最近, 基于热电转换材料的Seebeck 效应, 许多新型的温差电传感器被研制成功, 并用于低温温度测量[20]、单像素红外线和X 射线探测[21]、氢气和其他可燃气体泄漏检测[22]等.日本产业技术综合研究所的科学家运用磁控溅射技术制备了薄膜型温差电氢气传感器[23]. 其工作原理是在热电薄膜材料表面上一半的面积涂覆催化剂, 当有氢气存在时, 涂有催化剂部分的热电转换材料温度升高, 继而在器件的两端建立电势差. 通过电压信号的测量既可感知氢气泄漏, 还可用于推算氢气浓度. 传统的氢气传感器存在体积大、质量重、结构复杂、气体选择性差(往往对可燃气体有广谱响应)、响应时间长等缺点, 已越来越不能满足使用要求. 另外, 传统传感器对气体的敏感程度与温度强烈相下(200~400℃)才能达到峰值, 这不仅要消耗额外的加热功率, 还极易引发火灾. 利用热电转换材料制造的薄膜传感器可在室温附近工作, 尺寸小、选择性好、响应时间短. 1%的氢气含量可输出2 mv 的电压信号, 响应时间为50 s (图6). 该类传感器在氢燃料电池系统、加氢站、微型飞行器等方面具有广泛的应用前景.关, 通常在较高的温度德国D.T.S.公司在其开发的235型热电模块的基础上研制成功微型红外传感器[24], 用于非接触式测温、家用与工厂设备的监测等, 具有体积小(mm 3)、重量轻(mg)、无过滤窗、响应迅速、不受环境热传导和热对流的影响、在高热辐射的情况下也可稳定工作的特性. 图7 为其F 型温差电红外传感器, 其大小为5.6 mm ×3.1 mm ×0.08 mm, 重量为19 mg 2). 2.6 低品位和废热发电长久以来, 因为受到生产成本和转换效率的限制, 温差电技术的应用一直局限于高科技和军事、航天领域. 最近, 由于化石能源数量的日益减少和化石能源燃烧所引起的环境恶化问题的逼近, 人们意识到利用低品位和废热进行发电对解决环境和能源问题的重要性[25]. 另外, 可供使用的热源的广泛性和廉价性大大增强了温差发电方式的商业竞争性. 我们知道, 发电成本主要由运行成本和设备成本组成. 运行成本取决于转换效率和原料, 设备成本决定于产生额定输出电力的装置. 虽然热电转换模块的成本很高, 但由于利用低品位和废热发电的原料费用极少, 几近为零, 运行成本很低, 因此发电总费用降低, 使得温差发电可与现存发电方式进行商业竞争. 日本近几年开展了一系列以“固体废物燃烧能源回收研究计划”为题的政府计划, 研究用于固体废物焚烧炉的废热发电技术, 将透平发电机和温差发电机结合起来, 实现不同规模垃圾焚烧热的最大利用, 使垃圾真正成为可供利用的资源[26]. 继日本之后, 2003年11月美国能源部宣布资助太平洋西北国家实验室、密西根技术大学、匹兹堡PPG 工艺有限公司等单位, 重点支持他们在高性能热电转换材料和应用技术方面的开发, 其主要应用对象是工业生产中的尾气热和其他构件中的废热和余热利用3).1) D.T. S. GmbH. Thin film thermoelectric generator systems. /index.htm. 2003 2) D. T. S. GmbH, Infrared-sensors. /sen-txe.htm, 20033)Office of industrial technologies, USA. DOE selects 32 new projects to improve energy efficiency in U.S. industry. http://www. /cfm/fullarticle.cfm, 2003评述第49卷 第11期 2004年6月图6 日本研制的温差电传感器对氢气的敏感性测试曲线氢气浓度分别为1—3%, 2—1%, 3—0.5%, 4—0.1%, 5—0.01%图7 D.T.S.公司开发的柔性IRS-235 F 型温差电红外传感器目前可供利用的低品位和废热、余热资源的范围很广, 主要包括以下几个方面:(1) 工业余热随着工业化进程的加快, 化工厂、钢铁工业、水泥工业、造纸业、石油冶炼业等生产过程中产生的废气和废液成倍增加, 其中的余热相当可观. 内燃机、汽轮机等热机燃料所产生的能量, 50%以上都以热能的方式被浪费了, 钢铁工业、水泥工业、各种气体压缩泵站和垃圾焚烧的废热数量也是巨大的. 工业余热的合理利用是解决能源短缺问题的一个重要方面. 采用热电转换模块取代已有的余热锅炉和气轮机系统进行发电, 可降低投资, 增加设备的稳定性, 为企业带来巨大的经济效益, 在节能和环保等方面也可有较大的提高和改善[27]. 图8 显示在天然气田利用脱水循环的余热发电, 实现对管道和钻井的阴极保护1).(2) 垃圾焚烧热随着城市规模的不断扩大和城市人口的急剧攀升, 对城市垃圾进行减量化和无害化处理的要求日渐紧迫. 大力发展城市垃圾发电技术, 不仅能带来新的电力, 缓解能源紧张状况, 还能解决垃圾处理问题, 减少环境污染, 一举数得. 垃圾中的二次能源如有机可燃物等, 所含的热值高, 焚烧200吨垃圾产生的热量可发电2000kW 2), 其“资源效益”极为可观. 将发电装置设在熔融炉排烟部分的炉壁上, 直接把燃烧热转换成电能, 省去了余热锅炉、汽轮发电机组以及蒸汽循环所需的附属设备. 美、日、法、英、德、意等工业发达国家都将垃圾发电列入国家议事日程, 投入大量资金用于开发垃圾发电新技术, 并使之趋于商业化[28]. 图9为日本能源转换中心开发的用于废热发电的温差发电机WATT-100, 功率密度为 100 kW/m 3.现在, 我国城市每年因垃圾造成的损失近300亿元(包括运输费、处理费等), 若将其综合利用却能创图8 利用天然气田的脱水锅炉余热发电进行管道的阴极保护1) Hi-Z Technology. Power from waste heat in gas production field. /websit14.htm, 2003 2) 垃圾堆里输出电——我国垃圾发电产业前景光明. /chinese/huanjing/247355.htm, 2002第49卷第11期 2004年6月评 述图9 日本能源转换中心研制的用于废热发电的 图10 装配了温差发电机的柴油机车温差发电机 可提高汽车动力2000~4000 W1) 垃圾发电. 中国环境报, 2001-12-272) Stevens J W. Energy harvesting: a ground-source thermoelectric generator. /dso/trans/energy/briefings/18Steve.PDF, 2000造2500亿元的效益1). 然而我国垃圾发电的市场化、专业化和产业化还刚刚起步, 为了动员更多的社会力量参与垃圾发电事业, 国务院最近制定了一系列资源综合利用的优惠政策, 希望能藉此推动该技术的发展.(3) 汽车废热随着人们生活水平的不断提高, 作为现代家庭的重要交通工具汽车开始步入普通老百姓家中. 汽车不仅给人们的生活带来了便利, 同时汽车工业也推动了社会经济的不断前进. 但是, 伴随着汽车普及率的不断提高, 人们对能源, 特别是石油和天然气的需求越来越大, 从而进一步加速了全球能源问题的恶化. 与此同时, 汽车尾气对环境的污染也给世界环境带来了一定的影响. 汽车尾气、冷却水、润滑油和热辐射所造成的能量损失占汽油燃烧能量的很大比重, 例如普通家用轿车以常速行驶时的能量损失就达20~30 kW. 科学家们一直在努力将温差电技术应用于环保型汽车, 利用汽车尾气的废热以及发动机的余热为汽车提供辅助电源. 这样, 不仅可以大大提高汽车的综合性能, 降低发动机能耗, 同时还可以减少尾气中污染物的排放量, 一举三得. 理论研究认为, 若能将温差电技术应用于汽车中, 可望节约燃油20%, 足以提供一辆中型汽车的电气用能[29]. 日本已开发了利用汽车尾气发电的小型温差发电机, 功率为100W, 可节省燃油5%[30]. 美国也于最近宣布试制成功1000W 功率的基于大货车尾气发电的电机[31,32]. 图10 显示美国安装在Mack 柴油机上的温差发电机,从外形上看恰似一个立式的消声器.(4) 自然热太阳辐射热、海洋温差热、地热等自然热都是大自然赋予人类取之不尽、用之不竭的最理想的动力能源. 传统的自然热发电方式都用热机、发电机或蒸 汽轮机作原动机, 这样的系统只有在大容量发电的场合才能获得良好的技术经济指标. 现在国际上将目标转向无运动部件、无声而且不需维护的直接发电器件(如温差电转换模块), 用它们来替代上述能量转换部件, 大大简化现有自然热发电系统的能量转换部件结构, 获得可观的经济效益. 美国密西西比州立大学的Stevens 教授进行了利用地表与地下的温差进行发电的研究[33]2) (如图11所示). 该方式具有性能稳定、寿命长、无声音辐射、不可视、夜间和恶劣环境图11 利用地表和地下温差进行温差发电的示意图评 述第49卷 第11期 2004年6月下亦可连续工作等特性, 能广泛用于长时间无人干预的小型远距离传感和通讯器件, 其初期设计功率是100 mW.(5) 其他分散的热源最近, 美国卡尔帝夫大学(Cardiff University)的Rowe 教授演示了利用人沐浴后浴缸中剩余水的余热产生电, 可使一台彩色电视机连续工作 1 h. 如果该系统能运行三年, 其生产电能的成本与常规能源电力公司的发电成本相当[34].3 提高温差发电效率的途径当前温差电技术的开发集中在三个方面: 提高温差电器件的效率、降低成本和扩大应用范围. 目前开发的温差发电机效率普遍较低(6%~11%), 使其使用范围受到限制. 通过对热电转换材料的深入研究和新材料的开发提高热电性能, 在热源不变的情况下提高电输出是该技术的核心内容.通常, 发电效率由下式表示:carnot mater ηηη=×, (1) 其中carnot η为卡诺循环效率. 对温差发电而言, 该效率取决于材料两端的温差:()carnot h c h T T T η=−(2)h T , 分别是高、低温端的温度. c T mater η为材料的热电效应效率, 由材料的热电优值Z (figure of merit)决定,()()1/21/2mater c h 111ZT ZT T T η⎡⎤⎡=+−++⎣⎦⎣,⎤⎦(3) 其中2/,Z S σκ=(4)()h c /2T T T =+, S 为热电势或Seebeck 系数, σ 为电导率, κ为热导率.因此温差电转换效率主要由材料的热电优值决定. 高性能的热电转换材料应当具有高的Seebeck 系数和电导率、低的热导率, 但实际非本征半导体的性质决定了三者不可兼得. 首先, 电导率和Seebeck 系数都是载流子浓度的函数. 随着载流子浓度的提高, 电导率呈上升趋势, 而 Seebeck 系数却会随着电导率的进一步提高而大幅度地下降. 因而在热电优值的表达式中, 分子项S 2σ只能在一个特定的载流子浓度下达到最大, 其可调范围非常有限. 热电性能的提高仅限于降低导热系数. 材料的热导由两部分组成, 一部分是载流子(假定是电子)的定向运动引起的电子热导率(e κ); 另一部分是由于声子平衡分布集团的定向运动, 称为声子热导率(p κ). 由于热电转换材料一般要求有较高的电导率, 而根据Wiedeman- Franze 定律:()23e B ,K /3π/T e σκ−=B (K 为Boltzmann 常数) (5)电子热导率正比于电导率, 因而随着电导率的提高电子热导率也会上升, 使热导率的调节受到限制. 多数半导体材料的声子热导率高于电子热导率, 因此提高热电转换材料优值的办法便主要集中为降低声子热导率.人们采取了多种方法提高声子的扩散能力, 试图改善热电性能. 但到目前为止, 实验结果均不理想, 温差发电效率始终不能与传统方式媲美. 当前室温附近最好的热电转换材料是块状Bi-Te 基材料, 其无量纲优值大约为1, 热电转换效率不到5%. 为了成功与其它换能系统竞争, 必须使ZT 值提高到2~3. 由于同一种材料的电导率和热导率是相互关联的, 所以要从根本上解决高电导而低热导这对矛盾, 需要引入新的思想和开辟新的途径.1995年Slack [35]提出了“声子-玻璃/电子-晶体”的概念描述了高性能热电转换材料应具有的特点, 即晶体的电导率和玻璃的热导率. 我们知道, 声子热导率与晶格的长程有序程度密切相关. 在长程有序的晶体中, 热阻来源于声子倒逆过程和缺陷、边界散射; 在非晶态玻璃结构中, 晶格无序极大地限制了声子的平均自由程, 从而增加对声子的散射, 因此在“声子-玻璃”结构中材料的热导率可以很低. 以此理论为指导, 人们采取各种办法, 包括寻找复杂结构的晶体(如Half-Heusler 结构), 并通过掺杂或在不同材料之间形成固溶体的方法进一步提高声子扩散能力[36]; 在某些具有较大孔隙的特殊结构的热电转换材料, 如Clathrates 和Skutterudites 的孔隙中填入尺寸相配、质量较大的原子[37]; 降低材料的维数以提高晶界对声子的散射能力[38,39]; 增大载流子的有效质量[40]等.当前, 材料合成方法的丰富和XRD 分析水平的提高使复杂结构材料的制备和研究变得相对容易. 人们甚至可以实现单原子控制以合成特定结构和组成的材料. 现代计算机技术的发展使得载流子(价带结构)的真实电子状态可迅速计算获得. 上述特点的结合必将促进热电转换材料的研究. 近几年, 国际热。
温差发电器研究进展
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是月球表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。
温差发电实验总结
温差发电实验总结在过去的几个月中，我们在温差发电领域进行了大量实验，旨在为当今和未来的温差发电技术发展提供有价值的参考。
在这次实验中，我们分别测量了热源和冷源之间的温差，并测量了通过温差发电的能量，以及如何解决温差发电中的技术挑战。
温差发电是一种采用热源和冷源之间的温差来发电的技术。
热源一般是热水管或热风暖气片，而冷源可以是湖水、山溪或冰凝池等。
在实验中，我们以温室内温度范围18-25°C为例进行温差发电实验，分别测量不同温度的热源与冷源的温差，以及模拟温差发电的能量。
经过多次实验，我们发现，当温差达到7摄氏度时，温差发电的效率将达到最佳，最多可获得2.2瓦的发电量。
此外，我们还分析了温差发电系统中可能存在的技术挑战。
在我们的实验中，我们发现，由于温差发电系统是一种无污染、低成本的发电方式，因此其设计、制造和安装与其他发电系统相比较需要更多的研究和精细技术。
此外，温差发电系统所能生产的可再生能源受限于温差的大小，因此相对于其他发电方式，温差发电系统的稳定性相对较差。
总的来说，本次实验结果表明，温差发电技术的发展具有很大的潜力。
它可以提供低成本、环保可再生的发电方式，可以满足未来市场的需求。
尽管温差发电系统的发展仍存在技术挑战，但本次实验也为未来温差发电技术的改进谋划出一条可行的路径，发挥了其重要作用。
经过本次实验，我们总结出一些实用性建议，以帮助提高温差发电技术的性能并提高其可再生能源产量。
首先，为了提高发电效率，可以通过调整热源和冷源的密度来提高温差的大小。
其次，为了提高温差发电系统的稳定性，可以使用控制系统来自动控制温差。
此外，通过优化热源和冷源，提高插入热源和冷源界面时温差发电系统的温度敏感性。
最后，可以在温差发电系统中开发更高效的热功率管理策略，以更好地利用温差发电系统中的能量。
从本次实验中，我们得出以下结论：当温差达到7摄氏度时，温度发电的效率将达到最佳，最多可获得2.2瓦的发电量；温差发电系统的发展仍存在技术挑战，但也为未来温差发电技术的改进提供了一条可行的路径；对于温差发电系统，可以通过调整热源和冷源的密度、使用控制系统控制温差、以及优化热源和冷源等方式来提高发电效率和稳定性；最后，可以通过开发更高效的热功率管理策略来更好地利用温差发电系统中的能量。
温差能发电的现状及前景
2
•法国的Arsened Arsonval于1881年首次 提出海洋温度差发电的 构想。即发明利用海水 表层（热源）和深层 （冷源）之间的温度差 发电的电站。于是1930 年Claude在古巴的近海， 首次利用海洋温度差能 量发电成功。
11
中国台湾红柴海水温差发电站
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美国海洋温差发电站
13
放射性同位素发电装置
18
谢 谢 指 导
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7
技术分布现状
国内 分部
国内研究进展国内在温差发电方面的研究起步相对 较晚，主要集中在理论和热电材料的制备等方面的 研究。陈金灿课题组从20世纪80年代开始对温差发 电器的基础理论进行研究，对温差发电器的性能进 行优化分析，得到很多有意义的成果。屈健等研究 了不可逆情况下发电器的输出功率和效率随外部条 件的性能变化规律。李玉东等提出从火用的角度对 低温差下发电器的工作性能进行分析。贾磊等提出 低温及大温差工况下汤姆逊热对输出功率的影响不 可忽略的观点。贾阳等建立温差发电器热电耦合分 析模型,以数值计算的方法分析了热电材料物性参 数及其变化对发电器工作特性的影响等等。
9
温差发电技术的应用
1
海洋温差能的利用 温差能在航空军事上的利用
2
3
边远地区供电
火力发电厂效率的提高 垃圾焚烧工业余热温差发电 其他方面的应用
10
4
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6
利用现状
1
•据计算，从南纬20度 到北纬20度的区间海洋 洋面，只要把其中一半 用来发电，海水水温仅 平均下降l℃，就能获 得600亿千瓦的电能， 相当于目前全世界所产 生的全部电能。专家们 估计，单在美国的东部 海岸由墨西哥湾流出的 暖流中，就可获得美国 在1980年需用电量的75 倍。
温差电材料研究新进展
力 。 一 种 R35MS5T0 准 晶 体 的 塞 贝 克 系 数 大 于 @#!= > 的 I8 值，这一点已经得到实验证实。其原因在于：$提
?；一种 R35MS5U+ 准晶体的塞贝克系数大于 F#!= > ?； 高了费米能级附近的态密度，从而提高了塞贝克系数。
其室温热导率为 !5"A > B/·?C。
式中，1—优 值 ，# 9 ;；!—塞 贝 克 系 数 ，< 9 ;；"—电 导 率 ， 晶材料电阻率的峰值分别在 X"; 和 #UF;。室温塞贝克
= 9 -/；:—热导率，> 9 ?-/·;@。
系数高达C#!F%< 9 ; 以上，在电阻率的峰值温度以 下 则
!!"7 常被称为功率因子。
变为负值，最大为I#!F%< 9 ;。
窄带隙半导体，D""; 时禁带宽度为 #":G7H或 ")!F+<；迁
L\,%$6,%+* 是 一 种 笼 型 化 合 物 ， 大 晶 胞 材 料 。 一 些
技 移率应高，即达到 !"""-/! 9 ?<·*@；而热导率应 最 低 。 于 L\,%$6,%+* 具有类似玻璃的低热导率。如 =6XK,#]K+D" 的室
范围较窄，同时要考虑各层间杂质扩散引起的热电性能的 衰减问题。分段 ]^T，要考虑各层间杂质扩散引起的热电
F##? 时 I8 可达 #)<。
性能的衰减问题。一般的，各段之间插入过渡层，要考虑过
L0MD;D 基材料，L0N2.E O7E PQE 可得到 塞 贝 克 系 数 渡层热膨胀系数的匹配、过渡层热阻和电阻的增加等问
温差发电的发展与应用
温差发电的发展与应用摘要：综述了温差发是的基本原理、温差发电技术的研究历程和取得的成绩以及温差发电的展望，着生探讨了目前温差发电技术存在的问题和提高发电效率的各种途径和措施。
关键词：温差发电；温差发电材料；余热利用；前景展望Development and application of thermal energyAbstract: The thermoelectric generator is a basic principle, the temperature difference power generation technology research history and achievements as well as thermal energy outlook, the health of the current thermal energy technology problems and improve power generation efficiency of the various approaches and measures. Keywords: thermal energy; thermal energy materials; waste heat recovery; outlook1 温差发电的基本原理温差电效应是德国科学家塞贝克于1821年首先发现的，人们称之为塞贝克(Seebeck)效应，即两种不同的金属构成闭合回路，当两个接头存在温差时，回路中将产生电流，这一效应为温差发电技术奠定了基础。
如图1所示，A、B两种不同导体构成的回路，如果两个结点所处的温度不同(T1和T2不等)，回路中就会有电动势存在，这便是温差发电技术的理论基础。
当结点间的温度差在一定范围内，存在如下关系：式中：--回路产生的电势；--所用两种导体材料的相对塞贝克系数。
2温差发电的研究进展当前温差发电技术的研究主要集中在三个方面，提高温差发电器件的效率、降低成本和扩大应用范围。
温差发电技术的发展与展望
开始 引起 人 们 的高 度 关注 ，并 成 功地 在 在航 天 器 上 实现 了
长期发电。科学家对所有已知的热电材料进行 了测试 ，发
现 Ｂ— ｂ Ｔ 系材料 的热 电性 能 最好 ，优 值 系 数可 达 到 １ ｉＳ — ｅ 。 如果能 把优 值提 高到 ３ 以上 ，则 由这种 材料 制成 的温 差 电装 。． ．． ▲
Ｂ２ ｅ ，Ｐ Ｔ ， ｉ 相 继 问世 ，温 差 发 电技 术 的应 用研 究 ｉＴ ３ ｂ ｅ ＳＧｅ
地 区的转 销 产 品 ，半 导体 材 料 基 本依 靠 进 口。我 国 在这 一 领 域 目前 发 展 还不 是 很快 ，技 术 成 熟度 低 ，量 产 企 业产 品 原料 和核心 技 术都 受到 国外 的限制 。
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实验室、密西根技术大学等单位 ，重点支持他们在高性能
热 电材 料 和 应 用技 术 方面 的研 究 ，特 别是 低 品位 热源 与 工 业 余热 废 热 的利 用 。 日本 近几 年 开 展 了一系 列 以 “ 固体废 物 燃烧 能源 回收 研 究计 划 ” 为题 的政 府计 划 ，研 究 用于 固 体废 物 焚 烧 炉 的废 热发 电技术 ，将 透 平机 和 温 差发 电机 结
利 用 的初 步 实验 表 明 ：半 导体 温 差发 电 方式 是 在这 种 场合
究机 构 也 已联 合 进 行 了汽 车 发动 机 余 热发 电方面 的预研 ，
并 正在 组 织 “ 瓦 到兆 瓦 热 电 能量 转 换 ”大 型科 研 项 目 ， 纳
并 着重 开 发小 功 率 电源 、传 感器 和 运 用纳 米 技术 进 行 产 品 研发 。 美 国 能源 部 和纽 约 州 能源 研 究 开发 权 利机 构 开 发 的
温差发电材料
温差发电材料温差发电技术是一种利用温差产生电能的新型能源技术，其应用领域广泛，可以用于家庭、工业、农业等多个领域。
而温差发电材料作为温差发电技术的核心，对于温差发电的效率和稳定性起着至关重要的作用。
本文将介绍温差发电材料的相关知识和发展现状。
首先，温差发电材料需要具备良好的热电性能。
热电材料的热电性能是指材料在温差作用下产生的电压和电流，其大小与材料的热导率和电导率有关。
因此，优秀的温差发电材料应该具有较高的热电转换效率，即在温差作用下能够产生较大的电能输出。
目前，常见的温差发电材料包括铋锑系化合物、硫化铋、硒化铋等，它们在温差发电领域具有较好的应用前景。
其次，温差发电材料还需要具备良好的稳定性和耐久性。
在实际应用中，温差发电材料需要能够长时间稳定地工作，不受外界环境的影响。
因此，材料的稳定性和耐久性是评价其性能优劣的重要指标之一。
目前，一些新型的热电材料如氧化物热电材料和纳米结构热电材料等，具有较好的稳定性和耐久性，正在成为温差发电材料研究的热点。
此外，温差发电材料还需要具备良好的环保性能。
随着人们对环境保护意识的增强，对于温差发电材料的环保性能要求也越来越高。
优秀的温差发电材料应该是无毒、无污染的，且在生产过程中能够减少对环境的影响。
因此，绿色环保的温差发电材料将是未来的发展方向，对于材料的选择和研发提出了更高的要求。
综上所述，温差发电材料作为温差发电技术的核心，对于温差发电的效率、稳定性和环保性起着至关重要的作用。
目前，随着材料科学和能源技术的不断发展，温差发电材料的研究也在不断取得新的突破，为温差发电技术的应用提供了更多的可能性。
相信随着科技的不断进步，温差发电技术将会成为未来新能源领域的重要发展方向，而温差发电材料的研究和应用也将迎来更加广阔的发展空间。
北京科技大学科技成果——温差发电和电子制冷的高性能碲化铋热电材料
北京科技大学科技成果——温差发电和电子制冷的高性能碲化铋热电材料北京科技大学科技成果——温差发电和电子制冷的高性能碲化铋热电材料项目简介热电材料是一种能将电能和热能进行相互转化的半导体材料，通过Seebeck效应可以将废热转化成电能，又可以利用其Peltier效应实现电子制冷。
本项目主要对低温区碲化铋（Bi2Te3）热电材料进行了开发研究，属于能源材料领域。
材料应用的性能指标主要用材料的ZT值来衡量，材料的ZT值达到2-3，其发电功率和制冷效率即可以取代传统的发电和制冷设备。
与现有的能源发电和氟利昂制冷相比，热电设备（发电和制冷）具有无振动、无噪音、无泄漏、体积小、重量轻、对环境无任何污染等优点。
目前碲化铋（Bi2T e3）的ZT值徘徊在1左右，根据经典物理计算得知ZT值上限约为20，热电材料的发展空间巨大。
由于碲化铋（Bi2Te3）材料特殊的层片状晶体结构，热电性能和力学性能是相互竞争的两个矛盾因素。
本项目主要提供碲化铋（Bi2Te3）热电材料及机械合金化和放电等离子烧结技术，材料的ZT值大于1，显微硬度、抗弯强度和断裂韧性等力学性能良好。
材料制备方法简单、时间短、适用于工业大规模生产。
目前授权和申请的发明专利有：（1）一种纳米SiC/Bi2Te3基热电材料的制备方法，ZL200510130794.4；（2）一种提高N型多晶Bi2Te3热电性能的热处理方法，申请号：200710175304.1；（3）一种细晶择优取向Bi2Te3热电材料的制备方法，申请号：200710175308.X。
应用范围温差发电的应用领域也十分广泛，如利用工厂废热发电、地热发电、汽车发动机废热发电等。
热电制冷的应用领域也十分广泛，如电子技术上的计算机CPU、光电倍增管、红外探测器、光敏器件、功率器件等；医疗器械上的实时荧光定量PCR仪、呼吸机气泵、Nd-YAG 激光手术器等；民用上的无环境污染（氟利昂）的制冷冰箱、汽车制冷坐垫、饮水机制冷等。
温差发电技术研究综述
科技与创新┃Science and Technology&Innovation2020年第10期文章编号：2095－6835（2020）10－0094－02温差发电技术研究综述霍蒙，吴舸，袁宏，杨红发，熊思勇，张智峰（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都610041）摘要：温差发电技术利用热电半导体材料的温差电效应将热能直接转换为电能，具有寿命长、结构紧凑、可靠性高等优点，尤其适用于空间或深海装置能量转换等特殊工况。
概括介绍了温差发电的基本原理和主要技术途径，分析了热电材料和发电器件两项关键技术发展现状，并在此基础上对未来发展进行了展望。
关键词：温差发电；技术途径；热电材料；发电器件中图分类号：TM913文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2020.10.040温差发电技术，又称热电发热技术，它利用热电半导体材料的温差电效应——赛贝克（Seebeck）效应，将热能直接转换为电能。
热电半导体利用塞贝克效应实现温差发电原理如图1所示。
N型半导体和P型半导体上端通过导流片连接，下端则由闭合电路连接。
对其上端加热，另一端散热，在温度梯度下半导体冷热两端载流子分布发生变化，由N 型半导体和P型半导体组成的回路中由于有温差电动势存在而产生电流。
将类似结构进行组合，即可构成成规模的温差发电装置。
由于温差发电装置一般没有运动部件，使用维护需求低，与太阳能发电、化学电池、燃料电池等相比功率比较高，尤其适用于空间或深海装置能量转换。
在20世纪30年代以后，随着热电材料和温差电器件的发展，温差发电技术也迎来了飞速发展。
图1温差发电原理示意图1温差发电主要技术途径根据所使用热能来源或应用场景的不同，目前温差发电主要分为同位素温差发电、核反应堆温差发电、烃燃料温差发电、工业废热发电以及太阳能光电-热电复合发电等技术途径。
同位素温差电池（RTG）是以放射性同位素为热源的能量转化装置。
温差发电--一种新型绿色能源技术
温差发电——一种新型绿色的能源技术班级：材料0901 姓名：刘猛学号：25【摘要】：温差发电器是能将热能直接转化成电能的固态装置，具有结构简单、稳定可靠、无运动部件、绿色环保等优点，广泛地应用于航天、军事等领域，在废热的回收利用方面也展现出良好的应用前景。
本文简要地介绍了温差发电器的工作原理及其结构，介绍了体温差发电器和微型温差发电器的国内外研究进展，并进行了对比分析，提出了温差发电器中存在的问题及解决方案，最后展望了温差发电器的前景。
【关键词】：塞贝克效应; 温差发电THERMOELECTRIC ELECTRICITY GENERATION——A NEW GREEN ENERGY TECHNIQUE【Abstract】：Thermoelectric generators are solid state devices which can directly convert thermal energy to electricity andhave advantages of simple structure, reliability, no moving parts and being friendly to the environment. They are widely used in aerospace、military fields, and have broad prospects in application of recovery of industrial waste heat. This paperbriefly provided the structure of thermoelectric generators and the work principles. Recent developments aboutthermoelectric generators were given and a comparison between bulk thermoelectric generators and micro thermoelectricgenerators was made. Problems of thermoelectric generators and the solutions were discussed. The prospects ofthermoelectric devices were finally given.【Key Word】s：thermoelectricity; Seebeck effect0引言热能和电能是我们社会生活中最重要的能源形态，其中电能是各种形态能源中传输和使用最多、最为方便的一种。
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冷能温差发电技术及材料研究进展胡 放3 戚学贵 王学生 任 超 代晶晶(华东理工大学机械与动力工程学院) 摘 要 温差发电技术是一种直接利用热电材料完成热能到电能转换的能源利用技术。
介绍近年来关于温差发电的实验和理论研究的国内外现状以及各种热电材料的研究进展和制备状况。
关键词 温差发电 LNG冷能 热电材料 热导率 磁控溅射0 前言21世纪的能源短缺促使各国展开多种形式的开源节流,并促使了全球能源体系的重大调整。
展望我国从目前到2050年能源需求与保障供应的可能性,煤的份额将由目前的约70%减少至2050年的约40%,天然气、水电、核电份额将有所增长,还有约15%的缺口要靠大规模发展非水能的可再生能源来补足[1]。
理论上只要存在冷、热温差,就可转化得到可供利用的能源,故可称为冷、热温差资源为温差能源。
开发利用温差能源,国内外已进行了相当多的探索和应用,且工作主要集中于热电转换材料的温差发电[2～4]。
1 L NG冷能利用现状LNG(liquified natural gas)是天然气经过脱酸、脱水处理,通过低温工艺冷冻液化而成的低温(-162℃)液体混合物。
每生产1t LNG的动力及公用设施耗电量约为850k W・h;而在LNG接收站,一般又需将LNG通过气化器气化后使用,气化时放出很大的冷量,其值大约为830kJ/kg(包括液态天然气的气化潜热和气态天然气从储存温度复热到环境温度的显热)。
我国将在沿海地区相继建成十几个LNG接收站,每年将进口数以千万吨计的LNG,同时携带着巨额冷量[5]。
在高能源价格下,液化天然气的巨大能耗和汽化天然气的冷能浪费使LNG的冷能利用成为热电转换中的新兴领域。
2007年福建已经以每年260×104t的规模进口LNG,华南理工大学[5]为其设计了“超低温冷能的火用分析和火用经济价值估算通过冷媒循环利用LNG 冷能系统”以及“LNG冷能用于空分和中低温冷用户的集成方案”,可以冷却290×104t空气,相当于60000m3/h的氧气制备规模,即一套特大型常规空气分离装置的规模,其大致可以生产11000 m3/h的液氧、47000m3/h的氧气、80000m3/h左右的液氮和氮气,以及1800m3/h左右的氩气。
另外一例国内LNG接收站冷能利用以深圳大鹏湾接受终端[6],如不采用LNG的冷能综合利用技术,每年排入附近海域的冷量将达到215×109 MJ。
因此,研究LNG冷能的综合利用技术不仅有利于节约能源,发展循环经济,而且能最大程度减少LNG终端站对附近海域的影响,保证该湾区甚至全部沿海地区的可持续发展。
在国内,LNG低温电能利用尚处于实验室研究阶段。
目前所提出的LNG冷能发电主要是利用LNG的低温冷能使发电装置中循环工质液化,而后工质经加热气化再在气轮机中膨胀作功带动发电机发电。
全静态的热电材料温差发电方式具有简单、无运动部件、组合方便等很多优点,因此它是一种实现LNG低温冷能温差发电的颇具前景的途径。
北京化工大学的Lu、W ang两人[7]设计开发了直接利用LNG冷能的朗肯循环,以氨水—水作为3胡放,女,1986年7月生,硕士研究生。
上海市,200237。
工作流体,并以气体膨胀为动力循环的级串联发电系统,建立了系统中各设备的能量公式和作功公式。
以朗肯循环的冷凝温度,进、出口透平机的压力及开放式LNG循环的进、出口压力为关键参数,改变朗肯循环热交换器的热端温度、布雷登循环热交换器热出水与冷进口最低温度差、开放式LNG 循环泵与朗肯循环泵的压力比以及开放式LNG循环系统透平机气压比,以获得最佳经济效应。
西安交通大学的N iu Xing等人[8]设计了一个基于平行板换热器商用热电模块的温差发电器。
该实验检验了温差发电中的主要操作条件,如冷热流体进、出口温度,流速,延程阻力,所对应的动力输出和功率系数;并参考前人数据模拟了一个专门用于低温废热利用的计算机温差发电模块,证实了低温废热利用温差发电的可行性。
Rodriguez等人[9]设计了一个计算机模拟系统以模拟温差发电器的热电性能表现。
模拟系统输入作为温度函数和边界条件的热电参数,输出为热电参数,如功率、功率因子、电压以及电流,系统最大误差不大于5%。
该系统可以在忽略边界条件的情况下,研究室温、热负荷以及电负荷对温差热电系统的影响,系统中所有参数均为温度的函数,使得该模型成为一个稳定的温差热发电系统模拟。
Rodriguez等人研究了-20～40℃室温条件下的温差发电,并获得良好的实验与模拟比较结果,为LNG低温冷能利用的计算机模拟提供了很好的参考。
海军工程大学的Meng Fankai等人[10]提出了一个二级温差发电器驱动两级温差制冷装置系统,为温差资源的利用提出了一个新的切入点。
该系统基于非平衡态热力学理论,研究了稳定工作电流以及稳定工作电流下的制冷负荷,制冷系统的最大制冷量和COP值,并研究了制冷系统冷端和温差发电系统热端温度对系统性能的影响,可作为实际联合温差能源利用系统设计的重要参考。
2 冷能用热电材料211 冷能用热电材料的选用目前,限制热电材料得以大规模应用的问题是其热电转换效率太低。
热电材料的热电转换效率可用无量纲热电优值———ZT值来表征,这里T为绝对温度Z=α2σ/к式中 α———材料的热电势率,即材料的Seebeck系数σ———材料的电导率к———材料的导热系数ZT又称为材料的功率因子,它决定了材料的电学性能。
由Z的表达式可以看出,要提高材料的热电转换效率,应选用同时具有较大功率因子和低热导率的热电材料。
但事实上由于决定Z值的3个因子是相互关联的参数,都是载流子浓度的函数[11],不可能同时使它们得到优化,这是目前热电材料性能不高的主要原因。
陈则韶等人[12]对低温冷能热电材料温差发电系统进行了较为深入的实验与理论研究,结果表明常用半导体热电材料在低温下的性能欠佳。
图1 几类热电材料优质系数比照 D ing Z等人在热电材料综述中对目前最流行的几种热电材料的ZT值作出一个比照图表,如图1所示。
碲化铋合金及其n型和p型热电半导体合金是目前已知室温条件下最佳的热电材料。
Cs B i4Te6合金则是在LNG低温运用范围内ZT值最高的热电材料[13]。
对热电材料新结构的研究,包括梯度材料、复合材料和量子阱结构的热电材料等。
热电材料的梯度结构包括材料载流子浓度的梯度化和层叠热电材料结合面的梯度化。
合理的梯度化结构可以使材料适应内部温度梯度的变化,使得最佳的材料能运用在最合理的温度区域,提高总的转换效率[14]。
尤其是LNG的冷能利用范围在-162～20℃,功能梯度材料的应用前景广阔。
此外,理论研究及实验结果都表明,降低材料维数可以提高热电材料的ZT值[15]。
原因在于降低维数:(1)提高了费米能级附近的态密度,从而提高了Seebeck系数;(2)由于量子约束、调制掺杂和掺杂效应,提高了载流子的迁移率;(3)更好地利用多能谷半导体费米面的各向异性;(4)增加了势阱壁表面声子的边界散射,降低了晶格热导率。
Roberts等人[16]建立了分子动力学模型以研究超晶格结构对传热系数的影响。
模拟发现,由于晶界散射的大大增加,热电材料的性能有了显著提高。
研究主要关注是复合纳米热电薄膜的性能,模型中数值模拟了纳米晶粒以及传质阻力的大小。
实验研究表明,在纳米晶格大大增加的情况下,有效传热阻力可以减少25%。
中科院的L i Yali等人[17]利用热压力法在703K 温度下制得的p型B i014Sb116Te3合金具有较大的颗粒边界和表面密度,从而有效地降低了传递热阻,并在室温条件下获得了1115的ZT值,佐证了超晶格材料多晶面对热电材料导热系数的有力影响。
212 低温用热电材料的制备热电超晶格薄膜包括由超晶格制成的二维纳米薄膜或一维纳米线组成的线阵列结构,它降低了材料的维数,因量子约束效应和界面散射引起材料的к降低,而S以及σ基本不变,使得材料的ZT值提高。
1993年H icks[18,19]等首先考虑了超晶格量子阱结构对热电效应的影响,认为使用超晶格可获得高的热电优值。
H icks等认为超晶格量子阱热电薄膜的ZT值是由材料参数和化学势决定的。
量子阱超晶格热电薄膜是在垂直于外延生长方向上构造的。
对薄膜的热电性能有影响的因素包括:超晶格热电薄膜中声子的量子限制效应使热导率的降低也是ZT值增大,超晶格热电薄膜的势垒层以及隧穿效应。
考虑到LNG冷能利用中的热电薄膜主要应用于零度以下低温,用于制备热电超晶格薄膜的技术主要为分子束外延法、磁控溅射、电化学原子层外延法、金属有机化合物气相沉积和连续离子层吸附与反应法等[20]。
这些方法的半导体材料在基片上附着力较强,适合热电材料的LNG冷能利用。
金属有机化合物气相沉积(MOCVD)[21]主要用于III、V族和Ⅱ、Ⅵ族化合物半导体的生长,是一种利用化学反应以气相进行晶体生长的方法。
采用的原材料是金属有机化合物(如三甲基、三乙基等)。
这些化合物源在气相混合,并在一定温度下热解,然后在衬底上沉积。
合金的组分和掺杂水平由各种气体源的相对压力来控制。
这种方法能生长出十分均匀的外延层。
MOCVD最主要的特点是沉积温度低,适于大面积成膜和批量生产,容易实现产业化。
但是,MOCVD的原材料成本较高、毒性大,因此研究毒性小、成本低的金属有机化合物是当前主要的研究方向。
化学原子层外延法ECALE法[22]巧妙地将原子层外延与电化学沉积相结合。
原子层外延(ALE)法可达到单原子层水平上完全可控,从厚度上讲可以说是达到了极限。
ECALE法通过交替电化学沉积组成化合物的元素原子层形成化合物,外延沉积通过使用欠电位沉积方法得到表面化学限制生长。
ECALE法是一种低成本室温沉积技术,不需要在高真空或超高真空的条件下沉积薄膜,是降低薄膜成本的有效制备方法,具有广阔的应用前景。
如图2所示,分子束外延(MBE)[23]是在超高真空条件下精确控制原材料的中性分子束强度,并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。
从本质上讲,分子束外延也属于真空蒸发方法,但与传统真空蒸发不同的是,分子束外延系统具有超高真空,并配有原位监测和分析系统,能够获得高质量的单晶薄膜。
图2 分子束外延法设备 阴极溅射[24]是利用低压气体放电现象,使处于等离子状态下的离子轰击靶面,溅射出的粒子沉积在基片上,如图3所示。
在阴极溅射基础上加与电场方向相互垂直的磁场,从而改进可得磁控溅射,此时正交电磁场可以有效地将电子的运动束缚在靶面附近,大大减少了电子在容器壁上的复合损耗,提高了电子的电离效率。
电子每经过一次碰撞就会损失一部分能量,最后到达阳极时已经是能量消耗殆尽的低能电子,不会使基片过热。