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
一
、
温差发电技术基本原理
温 差 电 效应 是 德 国 科 学 家 塞 贝 克 于 １ ２ 年 首 先 发 现 １ ８ 的 ，人 们 称之 为 塞 贝克 （ ｅ ｂ ｃ 效应 ，即 两种 不 同的 Ｓ ｅ ｅ ｋ）
狰墙 睁墙
金属 构 成 闭合 回路 ，当两 个 接头 存 在温 差 时 ，回路 中将 产
鱼囊 电 鼍
生 电流 ，这一 效应 为温 差发 电技术 奠定 了基 础 。 温 差 发 电 的原 理 如 图 １ 示 ：在 Ｐ 型 （ 型 ） 导 体 所 Ｎ 半
中 ，由于 热激 发作 用较 强 ，高 温端 的空穴 （ 电子 ） 浓 度 比
图 １温 差 发 电原 理 示 意 图
低 温端 大 ，因此 在 这 种 浓度 梯 度 的驱 动 下 ，空 穴 （ 子 ） 电 就 会从 高 温端 向低 温端 扩 散 ，这种 电荷 的积 累就 会成 电势 差 。将 Ｐ 型和 Ｎ 型半 导体 的热端 相 连 ，则在 冷 端 可得 到一 个 电压 ，这样 一个 Ｐ 结就 可 以利 用 高温 热源 与 低温 热源 之 间 Ｎ 的温差将 热 量直 接转 换 成 电能 。将 很 多个 这样 的Ｐ 结 串联 Ｎ 起 来 ，就可 得到 足够 高的 电压 ，成 为一个 温差 发 电器 。 温 差 电技 术 的研 究起 始 于 ２ 世 纪 ４ 年 代 。最 早 把 温 ０ ０
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ｌ 曼 星
温差发 电技术的发展 与展望
口文／ 黄环保是２ 世纪人类面临的严重问题。在不断研发传统能源节能技术 的同时，开发新能源和充分利用低 １
捕
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品位能源 ，寻求一种新型、清洁、可靠的可持续能源系统 ，便成为世界各 １６追求 目标。这使得温差发电技术越 ￣ｔ １
汽车 尾 气余 热 发 电系统 ，使 用 ２ 组 Ｈ ２ 温 差电 组件 ，汽 ０ Ｚ一 ０
二 、温差发 电技术 国外研究进展
差发电实用化的是前苏联 ，他们利用煤油灯或木材燃烧作
为热 源 ，在 边 远 的地 区给 收音 机 供 电 。研 究 表 明 。温 差 发
堡 堕 兰兰兰 ｉ 兰 兰 竺兰
电系统的温差越大、材料优值越高 ，发 电的效率就越高 。
自２ 世 纪６ 年代 以来 ，一 些具 有 较好 热 电性 能 的材 料 ，如 ０ ０
来越弓人注 目，该技术是一种固态能量转换方式 ，利用塞贝克效应直接将热能转化为电能，具有无运动部件 、无 １
噪声 、 积小、重量轻、适应 性强等特点 ， 绿色环保 的发电方 ，可以合理利用太阳能、地热能 、工业余热等低 体 是
，
品位能源。作为一种新型能源利用技术 ，半导体温差发电技术有着广阔的应用前景。
合 ，实 现 不 同规模 垃 圾 焚烧 热 的最 大 利 用 。欧 洲２ 余 个研 ０
四 、温 差发 电技术 的应用
半导体温差发电机 目前主要用于油田、野外、军事等
领域 。如 美 国Ｔ ｌ ｙ ｅＩｃ 开 发 的军 用 、油 田专用 发 电机 ｅｅ ｎ ． ｄ ｎ 年销 售 额 超过 十 亿 美元 。该 项 目的另 一市 场 化领 域 在 于将 发 电装 置 用于 太 阳能 、地 热 、工业 废 能 等 的利 用 ，使 热能 直 接 转 化 为 电能 。在 工业 冷 却水 和 载 货汽 车 发 动机 的余 热
・ ・ ・ ・
置可达 到接近于理想卡诺机的效率 。这将在发电领域 引起
一
场革 命 。 随 着现 代 固体 物 理及 其 理 论 的研 究 与 发展 ，科
学 家们 又 先 后提 出 了电子 晶体 、 声子 玻璃 的材 料 结构 ；基 于 能 带理 论 的具 有 量 子限 域 效应 的量 子结 构 ，如 超 晶格 材 料 结 构等 ，尤 其是 其 作 为远 程 探测 器 电源 的不 可 替代 性 ， 温 差 电 半导体 材 料 的研 究 又 进 入 了一 个 新高 潮 ，科 技 发 达 国家 已 先后 将 发展 温 差发 电技 术列 入 了中长 期 能 源开 发 计 划 。美 国能源 部于 ２ ０ ０ ３年 １ １ １月 宣布 资助 太平 洋西 北 国家