低温差发电的原理与应用

低温差发电的原理与应用

1 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

(T

1和T

2

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。

用于低温(3000C以下)的Bi

2Te

3

及其固溶体合金，应该保证室温(300K)下的

热电材料的ZT>3。热电转换材料领域现已取得重要的进展，包括绝缘层和导电层交叉分层、特定层的电荷与自旋态的优化设计和结构钠米化等，现在已经把热电材料的ZT提高到接近3。

自1821年Seebeck发现塞贝克效应以来，国外对温差发电进行了大量的研究，1947年，第一台温差发电器问世，效率仅为 1.5％。1953年，Loffe院士研究小组成功研制出利用煤油灯、拖拉机热量作热源的温差发电装置，在用电困难地区作小功率电源之用。到2O世纪60年代末，前苏联先后制造了1000多个放射性同位素温差发电器(RTG)，广泛用于卫星电源、灯塔和导航标识，其平均使用寿命超过10年，可稳定提供7～30V，80W的功率。美国也不甘落后，其开发的RTG输出功率为2.7～3o0W，最长工作时间已超3O年。1961年6月美国SNAP一3A能源系统投入使用，输出功率为2.7W，发电效率5.1％。1977年发射的木星、土星探测器上使用的RTG，输出功率已达到 155W。20世纪80年代初，美同又完成500～1000W军用温差发电机的研制，并于8O年代末正式进入部队装备。

近年来，对低品位热源的利用成为温差发电技术研究的大方向。Maneewan等利用置于屋顶的钢板吸收太阳能集热升温与环境之间的温差发电，带动轴流风机引导屋顶空气自然对流，从而给屋顶降温。Rida等将温差发电器热端与该国一

种做饭的火炉外壁连接，冷端置于空气中，利用炉壁高温与环境的温差来发电，输出功率达4.2W。Hasebe等利用夏日路面高温做热源，热交换管为集热器，采用19组温差电组件，在热管管内液体流速为0.7L/min时，输出功率3.6W。Ikoma 等在汽车发动机上安装72组SiGe材料温差发电模块，最大温差1230C，最大输出功率86.4W。Thacher等在美国能源部和纽约州能源研究开发权利机构资助下开发的汽车尾气余热发电系统，使用20组HZ-20温差电组件，热电材料为Bi-Te 基材料，汽车时速112km/h时，最大温差1740C，最大输出功率255W。2006年，BSST的科学家和BMW联合宣布，商用的汽车温差发电器将于2013年投入使用。Douglas等针对热源动态变化情况，设计出多模块交互回路温差发电器，在相同热源下，输出功率最大提高25％。

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2O世纪8O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，得出结论，材料的导热系数、电阻率及塞贝克系数对发电器转换效率的影响均为非线性，其中导热系数的影响最明显。任德鹏等分析了温差发电器的热环境、回路中负载电阻等参数及温差电单体对的连接方式对发电器工作性能的影响，得出提高温差发电器热端加热热流或增加冷端的换热系数均能提高发电器的输出功率及热电转换效率的结论。苏景芳研究了系统与环境，系统与系统之间的热流关系，对系统的性能特性作出优化，建立温差发电器优化设计模型，同时以VB6.0(Microsoft Visual Basic6.0)语言作为开发工具，ActiveX 数据对象访问数据库，编写了温差发电器设计软件。钱卫强通过对低品位热源半导体小温差发电器性能的研究，总结了电动势、内阻及输出功率等参数随外电路、温度、发电组件几何尺寸等因素的变化规律，另外研究了串、并联情况下温差电组件的性能。李伟江从非平衡热力学角度出发，建立单层多电偶发电器在低温差下稳定T作的模型。研究温差发电器在内部结构和外部换热条件变化情况下的运行规律，与实验相结合，得出最佳匹配系数下，输出功率和发电效率均随最大温差近似呈线性变化，同时指出解决发电效率低的问题根本上依靠的是材料性能的改善。刚现东理论分析和实验研究相结合，通过模拟坦克排气筒附近区域制冷状况，由降温情况评估红外隐身效果，得出以坦克尾气余热为热源将温差电技术应用于坦克红外隐身完全可行的结论。

3温差发电技术的应用

3.1太阳能发电

太阳能是人类可直接利用的清洁能源之一。在寻找新能源的探索中，太阳能无疑是目前最好的选择。温差发电开辟了利用太阳能的一个新途径。太阳能温差发电技术是先通过集热器将太阳能转换为热能，再利用塞贝克效应(温差电效应)将热能转换为电能。传统的太阳能热发电方式都用发电机或蒸汽轮机作原动机，噪声很大，并普遍造成环境的变迁与污染。此外，这些带运动部件的系统都包含了一定的维护工作量和必须的运行维护费用，只有在发电容量较大的场合才能获得良好的技术指标。无运动部件、无噪声且不需要维护的温差发电技术则能够大

大简化太阳能发电系统的结构，并可以根据负荷灵活调整温差发电模块的数量，满足对中、小发电量的要求。2004年泰国学者研究了一种太阳能温差发电屋顶的结构，他在屋顶设置了热电转换器件，利用铜板吸收太阳能辐射热使热电转换器件的热端温度升高，与环境之间形成温差，进行发电。近年，武汉理工大学张清杰教授同日本科学家新野正之合，提出了将基于高效热电材料的太阳能热电转换技术与基于光伏电池材料的太阳能光电转换技术进行集成复合的太阳能热电光电复合发电技术的新的科学构想，得到我国NSFC和日本JST重大国际合作研究项目的支持，研制出了具有中日双方各50％知识产权的国际上第一台太阳能热电光电复合发电的实验系统并试验成功，开辟了太阳能全光谱 (200～3000nm)直接高效发电技术的新途径。

3.2工业余热发电

随工业化进程的加快，各种制造业和加工业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，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。利用温差发电技术进行工业余热发电，可降低成本提高能源的利用率，具有可观的经济效益和环境效应。

2006年我国工业耗能175136.6万吨标准煤，工业生产能源利用效率的提高对国家整体能源利用效率的提高具有决定性的作用。而其中，工业余热的回收利用是提高工业能源利用效率的重要途径。有统计数据表明，一个年产钢铁500万吨的钢铁企业仅烧结及饱和蒸汽两项余热发电，即可全年发电2.8亿度，可直接为企业减少生产成本1亿多元。应用温差发电技术回收利用工业余热能量，无能源成本投入，一次性成本为系统设备制造与安装成本。因为，温差发电技术无工作介质、无运动部件，系统运行成本将十分低廉。当前，温差发电器件在实验室条件下的热电转换效率达到14％以上，按照50％的转换因数计算，实际余

热回收系统的热电效率可以达到7％以上。按照40％的余热资源率计算，2006年温差发电技术可为工业部门节省能源4900万吨标准煤。利用温差发电技术进行工业余热发电，可以提高能源利用率，降低成本，带来巨大的经济效益；同时能够减少污染物排放，改善环境。

3.3汽车废热利用

随着我国汽车工业的发展，车辆消耗的能源与日俱增，汽车的节能也越来越受关注。然而，以现有的内燃机指标评估，燃油中60％左右的能量没有得到有效利用，绝大部分以余热的形式排放到大气中，回收这些能量进行循环利用作为一种最直接的节能方式越来越被大家所重视。因此利用温差发电技术，回收汽车尾气余热发电是一个很好的节能途径，具有独特的优势和良好的应用前景。近年来，车用发动机余热温差发电技术发展很快，转换规模在数十瓦至上千瓦之间在国外，GM、BMW、Nissan和Delphi等汽车业巨头也都在作这方面的研究，他们使用价格昂贵的高温热电材料提升热电转换效率。BMW以高温热电材料覆盖发动机外壁直接从发动机机体回收热量，能够回收十几千瓦的能量。据介绍，高效回收的电能将会超出一辆汽车所需要的正常用电。多出来的这部分可以储存作为汽车辅助动力从而形成混合动力区驱动车辆，而这也是余热回收发电技术的最终目的。

3.4其他分散热源

海洋温差能，地热能等自然热都是自然赋予人类取之不尽的绿色能源，温差发电技术能够直接将上述的新能源转化为电能。此外，利用人体与环境的温差，或者利用人沐浴后浴缸中剩余水的余热，也可以进行温差发电，提供个人电器的