温差发电技术及其在节能领域的应用(1)，温差发电

1 引言

当前，伴随工业全球化出现的环境恶化和能源危机正威胁着人类的稳定发展，需要对绿色能源技术的发展给予更多地关注和支持。这使得温差发电技术越来越引人注目，该技术是一种固态能量转换方式，能够直接将热能转化为电能。具有无运动部件、体积小、重量轻、移动方便和可靠性高等特点，是绿色环保的发电技术。

自从1821年塞贝克效应被发现以来，温差发电技术的发展已经历了近两个世纪。但长期以来，由于受热电转换效率的制约和成本的限制，温差发电技术主要应用在航天和军事等尖端领域。近年来，一批高性能热电转换材料的出现，为温差发电技术在工业和民用产业的应用提供了可能。世界一些发达国家已先后开展了相关研究，尤其是日本，温差发电技术被作为一种能源和环境的战略技术得到了大力支持和发展，在热电陶瓷转换材料方面，处于世界领先地位。我国对温差发电技术的研究才刚刚起步，在技术和产品自主创新方面仍是空白。

我国的能源十分短缺，能源的利用率较低，节能降耗是进行可持续稳定发展的必由之路。目前，各种工业余热、汽车废热等仍没有得到有效利用，迫切需要新型能源利用技术以节约能源和提高效率。温差发电技术具有较多优点，在低品位热能利用方面具有独特的优势和良好的应用前景，应大力发展该技术，并尽快产业化。

2温差发电技术

2.1塞贝克效应

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(r1和死不等)，回路中就会有电动势存在。这一现象是德国物理学家塞贝克发现的，被称为塞贝克效应[引，它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：

2.2热电转换器件

热电转换器件是温差发电器的基本元件，能将热能直接转换为电能，其效率取决于热电材料的性能和器件的设计制造水平。

图2  热电转换器件结构示意图

图3 HZ-14热电转换器件

（左侧为热端，右侧为冷端）

把一只P型半导体元件和一只N型半导体元件通过连接片连接起来，当接头处存在温差和热量的转移时，按照塞贝克效应就会有电动势产生，把若干对半导体元件在电路上串联起来，而在传热方面是并联的，这就构成了一个通用的热电转换器件，其结构如图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，且不需任何运动部件，也无气体或液体介质存在，安全可靠，对环境无任何污染，是十分理想的电源。

图3示意了美国Hi—z技术公司(ⅧM.Hi—Z.corn)为车辆余热转换研制的一种商用热电转换器件，该公司已研制了不同规格的产品，形成多个系列，输出电功率从2.SW至19W不等。

2.3温差发电器

单个热电转换器件的转换功率很小，需要经过串/并联组合制成温差发电器，实现标准化、系列化。温差发电器的结构趋向通用化和组件化，并取决于热源特征、散热方式和温度分布，以及所用热电转换器件的性能和排列情况。

目前温差发电器主要有平板式和圆桶式两种。平板式温差发电器的热电转换模块适合平铺在矩形通道上，运行时热流从通道内流过，经壁面向转换模块传递热量。圆桶式温差发电器表面铺设的热电转换器件有一定的弧度，热电转换器件固定在发电器外壁，固定方式主要有粘结法和机械固定法。后者便于更换与检修，但是结构比较复杂，接触热阻也比较大。

一个典型的温差发电器的装置如图4所示，大量热电转换器件串/并联后被固定在柴油机排气管通道上，器件一侧是排气管道，另一侧是热交换器，两侧的温度不同，提供了发电的温差。可以看出它采用平板式矩形结构和粘结法固定。

图4 典型温差发电器结构示意图

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1 引言

当前，伴随工业全球化出现的环境恶化和能源危机正威胁着人类的稳定发展，需要对绿色能源技术的发展给予更多地关注和支持。这使得温差发电技术越来越引人注目，该技术是一种固态能量转换方式，能够直接将热能转化为电能。具有无运动部件、体积小、重量轻、移动方便和可靠性高等特点，是绿色环保的发电技术。

自从1821年塞贝克效应被发现以来，温差发电技术的发展已经历了近两个世纪。但长期以来，由于受热电转换效率的制约和成本的限制，温差发电技术主要应用在航天和军事等尖端领域。近年来，一批高性能热电转换材料的出现，为温差发电技术在工业和民用产业的应用提供了可能。世界一些发达国家已先后开展了相关研究，尤其是日本，温差发电技术被作为一种能源和环境的战略技术得到了大力支持和发展，在热电陶瓷转换材料方面，处于世界领先地位。我国对温差发电技术的研究才刚刚起步，在技术和产品自主创新方面仍是空白。

我国的能源十分短缺，能源的利用率较低，节能降耗是进行可持续稳定发展的必由之路。目前，各种工业余热、汽车废热等仍没有得到有效利用，迫切需要新型能源利用技术以节约能源和提高效率。温差发电技术具有较多优点，在低品位热能利用方面具有独特的优势和良好的应用前景，应大力发展该技术，并尽快产业化。

2温差发电技术

2.1塞贝克效应

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(r1和死不等)，回路中就会有电动势存在。这一现象是德国物理学家塞贝克发现的，被称为塞贝克效应[引，它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：

2.2热电转换器件

热电转换器件是温差发电器的基本元件，能将热能直接转换为电能，其效率取决于热电材料的性能和器件的设计制造水平。

图2  热电转换器件结构示意图

图3 HZ-14热电转换器件

（左侧为热端，右侧为冷端）

把一只P型半导体元件和一只N型半导体元件通过连接片连接起来，当接头处存在温差和热量的转移时，按照塞贝克效应就会有电动势产生，把若干对半导体元件在电路上串联起来，而在传热方面是并联的，这就构成了一个通用的热电转换器件，其结构如图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，且不需任何运动部件，也无气体或液体介质存在，安全可靠，对环境无任何污染，是十分理想的电源。

图3示意了美国Hi—z技术公司(ⅧM.Hi—Z.corn)为车辆余热转换研制的一种商用热电转换器件，该公司已研制了不同规格的产品，形成多个系列，输出电功率从2.SW至19W不等。

2.3温差发电器

单个热电转换器件的转换功率很小，需要经过串/并联组合制成温差发电器，实现标准化、系列化。温差发电器的结构趋向通用化和组件化，并取决于热源特征、散热方式和温度分布，以及所用热电转换器件的性能和排列情况。

目前温差发电器主要有平板式和圆桶式两种。平板式温差发电器的热电转换模块适合平铺在矩形通道上，运行时热流从通道内流过，经壁面向转换模块传递热量。圆桶式温差发电器表面铺设的热电转换器件有一定的弧度，热电转换器件固定在发电器外壁，固定方式主要有粘结法和机械固定法。后者便于更换与检修，但是结构比较复杂，接触热阻也比较大。

一个典型的温差发电器的装置如图4所示，大量热电转换器件串/并联后被固定在柴油机排气管通道上，器件一侧是排气管道，另一侧是热交换器，两侧的温度不同，提供了发电的温差。可以看出它采用平板式矩形结构和粘结法固定。

图4 典型温差发电器结构示意图

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2.4温差发电技术的研究进展

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。研究表明，温差发电系统的温差越大、热源温度越高、材料优值越高，发电的效率就越高。因此，提高温差发电器性能的主要方向是开发高优值的热电材料和高效的转换器结构。

目前，低效率是限制温差发电技术产业应用的最主要原因。通过对热电转换材料的深入研究和开发提高热电转换效率是温差发电技术研究的核心内容。用于温差发电的热电材料主要是半导体材料，如用于低温(300℃以下)的Bi2Te3及其固溶体合金、中温(300—600℃)的PbTe2SnTe和高温(600—1000℃)热电材料SiGe、MnTe、SiRe2、CeS等。衡量热电材料优劣的指标为“优值”zI’。要在效率和产业化方面实现有效竞争，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zI""提高到接近3。在现有材料的条件下开发高效温差发电器也是研究的主攻方向。在这方面融合了许多先进设计方法和多学科的理论。热电偶的优值除与电极材料有关，也与电极的截面和长度有关，不同电阻率和导热率的电极应有不同的几何尺寸，只有符合最优尺寸才能获得最佳的器件优值。同时，设计中还要对温差发电器的负载等性能以及结构进行综合考虑，采用优化、仿真和CAD等方法进行优化设计。另外，温差发电器在设计中，需要根据热、冷源的形式，研究它的传热方式、接触热阻、散热形式，几何形状及强化方法等问题。这方面的研究已经成为温差发电器设计的基础。

3温差发电技术在节能领域的应用

随科学技术的发展以及能源危机的日益迫近，各国在利用温差进行低品位热能发电方面加大了研究力度，温差发电技术在节能领域的应用不断扩展。

3.1工业余热利用

随工业化进程的加快，各种制造业和加工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，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的发电，可降低成本，提高能源的利用率，可带来巨大的经济效益，并能改善环境。图5给出了1984年日本东京发电公司完成的利用工业余热进行的温差发电机组。图6显示了在天然气油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。王佐民通过效率分析得到，把温差发电器和火力电厂锅炉结合起来，能够使火力发电厂总的效率提高。

3.2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，车辆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，绝大部分以废热的形式排放到大气中，造成了巨大的经济损失和严重的环境污染。因此，利用发动机余热发电是一个很好的节能途径。近年来，车用发动机余热温差发电技术发展很快，转换规模在数百瓦至几千瓦之间。Et本Nissan汽车公司研究中心研制了排气温差发电器，可以回收11%的热量。美国Hi—z公司在能源部资助

下进行了柴油机载重车排气余热温差发电的研究，并进行了台架和道路实验。图7示意了安装在柴油机车的热电发电器，外形像一个立式的消声器。在排气管上用72块HZ一14模块按圆周排列布置，冷端用水冷却，形成了250—270℃温差，能提供2000—4000W的功率。另外，俄罗斯联邦科学中心物理与能源工程研究所进行了高寒区载重发动机直接发电的研究，能够产生600W的电能。

3.3新能源利用

传统的能源以化石能源为主，面临来源枯竭和污染环境的挑战。而太阳能、海洋能、地热能等新能源是大自然赋予人类的取之不尽，用之不竭的环保能源。具有诸多优点的温差发电技术能够直接将上述新能源转化为电能，大大简化了发电系统的结构，将获得可观的经济和社会效益。

图8给出了日本的海洋热能转化项目中开发的利用海洋温差进行发电的设备，它采用了500组的热电转换器件。

图9示意了一种太阳能热电发电屋顶的结构，它在屋顶设置了热电转换器件，太阳能辐射到铜板上，使热电转换器件的热端温度升高，与冷端形成温差，进行发电，在环境温度30—35qC，辐射强度为800W/m2时，能够产生1.2W/m2的电力，除了供给风机外，还可储存供夜晚使用。

图9 太阳能热电发电屋顶工作示意图

3.4其他节能场合的应用

最近，美国Cardiff University的Rowe教授演示了利用人沐浴后浴缸剩余水的废热发电的技术，它可以使一台彩色电视机连续工作lh。

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电池，是使用BiTe材料制成的温差发电部件，1 K的温差可产生20znV的电压l24J。图10是Hi—z公司利用热电转换原理制造的微电池，输出电压为3.3V，功率可达2.5W。它适用

于小温差发电情况，像回收人体热能等。

4结束语

图10微电池实物图与传统发电方式比较，温差发电技术结构简单，无机械部件，运行寿命长，可靠性高，绿色环保，能够满足对中小发电量的需求。21世纪是一个以绿色能源为主导的时代，对温差发电技术的应用必将随社会的进步而不断扩展。温差发电技术可以灵活利用各种不同等级和形式的热能，适用于太阳能、地热能、海洋温差、余热和废热的节能利用，是颇具潜力的节能途径，具有广阔的应用前景。我国应优先发展该研究方向，以提高能源的利用水平和效率。

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