温差发电技术及其一些应用

温差发电技术及其一些应用

来源：能源技术2009-5-12

1 温差发电的原理

温差发电是利用两种连接起来的导电体或者半导体的塞贝克效应（Seebeck Effect），将热能转换成电能的一种技术。由两种不同类型的半导体构成的回路如图1，当装置的一端处于高温状态另一端置于低温状态下，就会在回路中形成电动势：

ε = α

s （T

1

-T

2

）（1）

式中：T1为低温度端温度，K；T2为高温端温度，K；αs为所用热电转换材料的塞贝克系数，V/K。

图1 温差发电原理图

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在应用时多个PN 结串联起来，构成一个热电转换模块（见图2），目前已有产品面市例如图3 为Hi-z 公司生产的热电转换模块系列，该模块系列能在-20℃到300℃的温度范围内有效地进行热电转换，输出功率为2.5~19W，负载电压为1.65~3.30V。

图2 热电模块结构示意图

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图3 Hi-z 生产的热电转换模块系列

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2 热电材料的研究进展

热电转换模块转换的效率很大程度上决定于其组成材料的性能，温差发电的电动势不但取决于材料的塞贝克系数α

，而且和高低温端间的温差△T和有关，

s

从而与材料的导热有关，另外输出电流还与材料的导电率有关，所以常用热电

转换材料的优值Z 评价材料的热电性能：

Z=（α

s

）2σ/λ（2）

式中：α

s

为塞贝克系数，σ为电导率，λ为热导率。

Z 的量纲为K-1，研究分析中优值又常采用优值Z 和工作温度T 的无量纲ZT 表征。提高材料的优值是研究开发高效热电转换材料的主要方向，通常有以下几种途径：①选择最佳载流子度；②提高载流子迁移率与晶格热导率的比；③ 改变晶体取向；④改变颗粒尺度使颗粒间既能导电同时声子散射又比较显著，促使颗粒定向分布；⑤选择最佳的工作温度及材料的禁带宽度。已有的研究资料表明，在室温下热电转换材料的优值只要能大于3，热电效率就可以达到令人较满意的水平并可以推广应用。目前热电材料的研究主要集中在以下几个方面。

（1）改进材料微观结构，例如结构纳米化。通过纳米技术在热电材料中掺入纳米尺寸的杂质相制备纳米复合结构热电材料（杂质相可为绝缘体、半导体或是金属，也可以为纳米尺寸的空洞），通过调整或者控制掺入杂质的成份、结构和大小得到纳米级的新相，达到提高热电材料ZT 值的目的。

（2）开发梯度结构材料。功能梯度材料主要有两种：一种是载流子浓度梯度热电材料，即沿着材料的长度方向载流子浓度被优化，让材料的每一部分在各自的工作区达到最大的优值；另一种是分段复合梯度热电材料，由不同材料连接构成，每段材料工作在最佳温度区，可在大温差范围内工作从而达到较高的热电转换效率。

日本研究人员发现采用5 种不同载流子浓度值的PbTe 在300~1000K 的温度范围内梯度化，其平均热电优值比单一材料增加1.5 倍左右。Muller 等利用4 层不同掺杂浓度的FeSi2制备出热传感器并对其进行了测试，发现该元件在- 50~500℃的范围内Seebeck 系数保持在270μV/K，波动小于±2%。Kang 等研究

了SiGe/PbTe/Bi

2Te

3

三段层状热电元件，工作温度从室温到1073K，最大效率可

达17%；对二元（PbTe．

1-2

(SnTe)合金进行Ag 元素掺杂并实现三段结构梯度化，

结果表明三段梯度热电材料PbTe/(PbTe)

0.8（SnTe．

0.2

/(PbTe)

0.6

（SnTe．

0.4

的

最大输出功率达175W/m2，性能比单段材料至少提高16%。

（3）新的材料制备方法与工艺的研究，如熔体生长法和粉末冶金法，绝缘层和导电层交叉分层。麻省理工学院的Hicks 和Dresselhaus 提出若能在

Bi

2Te

3

层状物质的层中插入绝缘层，ZT 值则可以增加3 倍。目前，Vanka-

tasubmanian 等人研制的Bi

2Te

3

-Sb

2

Te

3

超晶格材料，其P 型样品的ZT 值已经超

过了2.4。

3 温差发电技术的应用

3.1 空间探索方面

航天器常用的供能方式是太阳能供电，但这种方式往往只适用于工作在有一定的太阳辐射量的空间中的航天器，在太阳能电板接收不到太阳辐射而无法发挥作用时，同位素温差发电器（RTG，Radioisotope Thermoelectric generator）便成为首选的最佳替代动力源（图4）。同位素温差发电器利用放射性同位素衰变时产生的热量经塞贝克效应转变成电能具有性能可靠、热源稳定、寿命长和能量密度高（100kWh/kg）等优点。

图4 RTG 装置内部结构

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在放射性同位素温差发电器研究应用方面，美国处于领先地位。2003 年6 月10 日和

7 月7 日分别发射的两个火星探测器（“勇气”和“机遇”号），2006 年2 月18 日发射的用于探索冥王星的“新视野”号（New Horizons）行星探测器（图5），均采用放射性元素钚衰变经温差发电器为探测器提供电力，其中“勇气”号和“机遇”号上各装配8 台Pu 放射性温差发电器，每台发电器能提供1W 的电力，以确保两探测器上的电子仪器和运行系统能安全度过火星夜晚（-105℃），使其能维持在-55℃以上的工作温度。“新视野”号上的温差发电器能提供30V，240W 的电力。

图5 新视野号

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在我国已经通过论证的探月二期工程中，将采用同位素温差发电器提供动力提供常值负载和CPU 用电，而余下的热量还可以给航天器系统中科学仪器及平台保温，使其能在月夜极端低温环境（-170℃）中正常工作。

目前应用比较成熟的空间同位素电池热电转换效率较低，提高热电转换效率是空间放射性同位素温差发电器一直追求的目标。为了提高同位素温差发电器热电转换效率，美国能源部还提出了先进同位素发电体系（ARPS）的开发计划，其中包括碱金属热电转换器（AMTEC）和热-光生伏打转换器（TPV）。碱金属热电转换器利用液态金属离子将红外辐射转换为电能，热光生伏打转换器则使用镓-锑红外光电电池直接将同位素辐射热能转换成电能，利用这两种工艺制成的温差发电器比常用的同位素温差发电器（RTG）转换效率高2~3 倍。