温差发电技术在低品位热能中的应用研究

温差发电技术在低品位热能中的应用研究

王书鹏 李建新

摘要：

温差发电技术利用热电材料的塞贝克（ＳｅｅＢｅｃｋ）效应实现热能向电能的直接转化，是一种全固态的能量转化方式。工业余热、汽车废热、太阳能、地热能等低品位热能，由于能量密度低，长期得不到有效的利用。然而，低品位热能种类繁多、储量巨大，开发利用这部分热能具有重大的现实意义。本文介绍了温差发电技术的原理和在低品位能源领域中的应用，以及目前亟待解决的瓶颈问题，最后展望温差发电技术的推广前景，并提出建议。

关键词：低品位热能；温差发电；热电转换

中图分类号：ＴＭ６１９

０前言

早期温差发电技术由于受到热电转换效率低下和成本高昂的限制，主要应用在对成本不太敏感的航天和军事等尖端领域［１］。经过半个多世纪的发展，一批高性能的热电转换材料出现，温差发电技术的性价比相对提高，使温差发电技术在工业和民用产业中推广应用

成为可能。特别是近几年，国

际能源危机和环境污染问题越

来越严重，使得温差发电技术

越来越引人注目，世界一些发

达国家已先后开展了相关的研

究。尤其是日本，将温差发

电技术作为一项重要的能源和

环境战略技术予以支持和发

展，并已经在热电陶瓷材料研

制等方面取得长足进展，处于

世界领先地位［２］。

温差发电技术由于具有无

振动、无噪音、无磨损、无工质、

体积小、重量轻、安全可靠、寿

命长、对环境不产生任何污染

等特点，在低品位能源利用方

面具有的独特优势。诸多的优

点，将使其在未来的能源利用

领域占据重要的地位。

１温差发电技术

１．１　温差发电技术的原理

塞贝克（ＳｅｅＢｅｃｋ）效应、伯

尔帖（Ｐｅｌｔｉｅｒ）效应和汤姆逊

（Ｔｈｏｍｓｏｎ）效应是热电转换材

料的三个基本热电效应，也是

构成热电转换理论的基础。温

差发电技术就是利用热电转换

材料的塞贝克（Ｓｅｅｂｅｃｋ）效应，

通过材料中的载流子运动进行

能量形式的转换。

以当前应用最广泛的半导

体材料为例，温差发电的原理

如图１所示，Ｎ型和Ｐ型半导体

热电材料的一端连接在一起并

使其处于高温状态，在另一端

开路并使其处于低温状态。由

于高温端的热激发作用较强，

使此端的载流子浓度高于低温

端。在扩散作用的驱动下，载流

子由高温端向低温端扩散，从

而在低温开路端形成电势差，

实现热能向电能的直接转化。

１．２　温差发电技术的热电

材料

１９１１年，德国人Ａｌｔｅｎｋｉｒｃｈ

建立的热电发电和制冷理论认

为，优良的热电材料必须具备

高的Ｓｅｅｂｅｃｋ系数Ｓ以保证明显

的热电效应，较小的导热率λ

来保持材料两端的温度梯度，

较高的电导率（σ）以减少焦耳

热的损失［１０］。理论的表达公式

为：

China NINGBO JIE NENG 研究探讨

Ｚ＝Ｓ２σ／λ　（１）

Ｚ即为表征热电材料热电性能优劣的热电优值。影响优值的三个系数都是温度的函数，因此通常用无量纲量优值系数ＺＴ来描述材料的热电性能，ＺＴ越大，热电材料的性能越好。

根据优值系数ＺＴ的函数，人们从不同的角度进行研究，开发出多种不同类型的热电材料。迄今主要有半导体金属合金型热电材料［３］、方钴矿型热电材料［４］、金属硅化物型热电材料［５］、氧化物型热电材料等。同时，特定的热电材料在特定的温度区间才能达到最大的热电效率，因此热电材料有可分类为高温热电材料、中温热电材料、低温热电材料等。

１．３　温差发电器

热电转换器件是温差发电的基本元件，是由图１所示的热电材料通过并联和串联等电路形式连接起来构成的达到一定电压和电流要求的热电转换模块。典型的温差发电器件如图２所示，在有温差存在的条件下它就能将热能直接转化为电能，而且没有运动部件，不需要任何气体或液体的工作介质，是可靠性高和不对环境产生污染的理想电源。

热电转换器件的效率取决

于热电材料的性能和器件的设

计制造水平。美国Ｈｉ－Ｚ技术

公司已经成功研制了多个系列

的商用热电转换器件，输出功

率从２．５Ｗ到１９Ｗ不等。　日本

“高级温差电转换系统开发”项

目历时五年开发出五个系列温

差电转换模块，工作温度从

３００Ｋ到８５０Ｋ。其中，单个模块

实验热电转换效率最高可达到

１４．８％［６］。

由于单个热电转换模块的

功率相当小，不能满足正常发

电的要求，需要通过进一步的

串／并联电路连接组合成温差

发电器。温差发电器的结构通

用化和组件化取决于热源特

征、散热方式和温度分布，以

及所用热电转换模块的性能和

排列情况。

目前温差发电器主要有平

板式和圆桶式两种，可以根据

热源的特点选择相应的模块。

平板式温差发电器的热电转换

模块平铺在矩形通道上，运行

时热流从通道内流过，经壁面

向转换模块传递热量。圆桶式

温差发电器件固定在发电器件

外壁，固定方式主要有粘贴法

和机械固定法。后者便于更换

和检修，但是结构比较复杂，

接触热阻也比较大。

２温差发电技术在低品位

能源领域的应用

低品位热能在地球上分布

广泛，是地球能量存在的主要

形式。随着能源危机和环境污

染问题的日益严峻，世界各国

都加大了在可替代绿色新能源

方面的研究投入，温差发电技

术在低品位热能开发领域具有

的独特优势使其在这方面的应

用不断扩展。

２．１　工业余热利用

日本东京发电公司完成利

用工业余热进行温差发电的温

差发电机组［７］。日本“高级温

差电转换系统开发”项目在新

能源和工业技术发展委员会支

持下，研制出一套温差发电技

术用于工业余热回收的验证系

统。以工业电炉的辐射热能为

热源，实现热电转换效率达到

７．５％［６］。我国王佐民通过效率

分析，提出把温差发电器和火

电厂锅炉结合起来，能够大幅

提高火力发电厂总的能源利用

效率的建议［８］。

随着我国国民经济的不断

高速发展，我国能源消费量也

迅速增长。２０００年，我国能源

消费总量为１３８５５３万吨标准

煤，而到了２００６年，我国的能

源消费总量增长超过７０％，为

２４６２７０万吨标准煤［９］。伴随我

国能源消费量不断增长的，是

我国的能源综合利用效率的低

下。２００４年，中国单位ＧＤＰ产

出消耗的能源量为８．４吨油当

量／万美元ＧＤＰ，是世界平均水

平的３．３６倍，美国的４倍多，日

英德法等国的近８倍，我国能源

利用效率具有极大的提高空

间。

工业部门是能源消耗的主

研究探讨NINGBO JIE NENG2009