低温差发电的原理与应用

1、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和T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。12图1塞贝克效症(温差发电原理当结点间的温度差在一定范围内，存在如下关系:式中：一回路产生的电势；一所用两种导体材料的相对塞贝克系数。用于低温(3OO0C以下)的BiTe及其固溶体合金，应该保证室温(300K)下的热电材料

2、的ZT3。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730V，80W的功率。美国也不甘落后

3、，其开发的RTG输出功率为2.73o0W，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5001000W军用温差发电机的研制，并于80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

4、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

5、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20世纪80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

6、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(MicrosoftVisualBasic6.0)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，

7、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

8、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

9、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（2003000nm）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

10、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

11、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

12、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

13、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，提供个人电器的能量消耗。4温差发电技术存在的问题及解决方法目前，温差发电的效率一般为5%7%,远低于火力发电的40%。最主要的原因是热电材料性能不理想，另一方面是发电器的匹配问题。4.1发电效率低及提高效率的途径温差电材料的Seebeck系数、电导率、热导率不是彼此独立的，它们都是载流子密度的函数。材料的Seebeck系数和电阻率均随载流子密度的增大而减小；热导率包括

14、品格热导率和电子热导率两部分，而电子热导率又通过Wiedemann-Franz定理与电导率相关联。可见，减小材料的品格热导率是提高材料热电性能的最有效的途径。根据这一原则，目前提高温差发电效率的主要途径如下。（1）设计“电子晶体一声子玻璃”输运特性的温差电材料。所谓“电子晶体一声子玻璃”是指使材料同时具有晶体和玻璃二者的特点，即导电性能方面像典型的晶体，有较高的电导率，热传导性能方面如同玻璃，有很小的热导率。根据这一指导思想，Slack等提出设计一种化合物半导体，在这种化合物中，一个原子或分子以弱束缚状态存在于由原子构成的笼状超大型空隙中，这种原子或分子在空隙中能产生一种局域化程度很大的非简谐

15、振动，被称为振颤子，这种振颤子有降低材料热导率的作用。在特定温度区间内，材料热导率可以通过调价振颤子的浓度、质量百分比及其振颤频率等参数进行控制。填充方钴矿化合物是这类材料的典型代表。（2）氧化物温差电材料。氧化物热电材料的最大特点是可以在氧化气氛里、高温下长期工作，其大多无毒性，无环境污染等问题，且制备简单；制样是在空气中直接烧结即可，无需抽真空等，因而得到人们的普遍关注。自1997年日本早稻田大学的Terasaki发现NaCoO具有反常的热电性能以来，人们就开始了对243d过渡金属氧化物热电性能的研究。目前研究发现，层状结构的过渡金属氧化物NaCoO是一种很有前途的热电材料，它具有高的电导

16、率、低的热导率，同时24还具有很高的热电动势。但温度超过1073K时，由于Na的挥发限制了该材料的应用。这加速了其它层状结构的过渡金属氧化物作为热电材料的研究。例如，具有简单立方结构的三维过渡金属氧化物NiO也可作为很好的热电材料，掺杂Na和Li的NiO在1260K的高温具有很高的热电性能。在CaCoO。氧化物中通过225掺杂Bi而取代一部分Ca，即形成CBiCoO型氧化物，发现在7OOoC时其热电性能显著优于NaCoO材料。24（3）功能梯度材料。在大温差范围内，只有沿温度梯度方向选用具有不同最佳工作温度的温差电材料，使之各自工作于具有最大热电优值的温度附近，才能有效地提高其温差发电效率。按

17、照这种设想设计的材料称为功能梯度材料。功能梯度温差电材料有两种：一种是载流子浓度梯度温差电材料，另一种是分段复合梯度温差电材料。由于功能梯度材料能优化温差电材料性能，可大大提高温差电器件的换能效率，因此，美国、日本等国对此进行了大量的研究。日本在载流子浓度梯度温差电材料的研究方面做了较多工作，而美国目前在分段复合梯度温差电材料的研究处于领先地位。（4）形成所谓“重费米半导体”。Slack认为UPtSb将是一种很有前途的温差电材料，它与同类结构CePtBi代表一种所谓重3费3米4半导体，之所以称为“重费米半导体”是因为这类材3料载3流4子的有效质量仿佛比普通半导体载流子的有效质量大许多倍。因为非

18、常大的载流子质量，它们具有非常大的Seebeck系数，同时具有较强的声子散射效应。它们能隙的形成与镧系和锕系元素f轨道电子状态相联系，这类材料包括CeLaLi，CeLaLn和CeLnCu等（5）准晶材料。准晶材料具有五重对称性：这是晶体和非晶体都不允许存在的特性，它的费米表面具有大量的小缺口，可利用温度变化或缺陷破坏这些小缺口，进而改变费米表面的形状，从而提高材料的Seebeck系数。此外，准晶材料还具有一些优良的物理性能，如耐腐蚀，抗氧化，高硬度，较强的热稳定性和很好的发光特性等。准晶材料可望发展成一类很有前途的新型温差电材料。（6）填充式导电聚合物复合材料。导电聚合物复合材料具有价格低廉、

19、重量轻和柔韧性好等优点。利用导电聚合物的低热导率和填充式方钻矿的高电导率和Seebeck系数来制备高性能的温差电材料，将有机和无机材料复合起来，可以得到能带结构更加复杂的复合材料，而复杂的能带结构正是高性能温差电半导体材料的必要条件。尽管填充式方钻矿材料的热导率较低，但与半导体聚合物材料相比仍然较大。二者复合时，材料总的热导率不但因有机物的存在而降低，而且由于大量的有机一无机界面的存在使声子反射的机会增加，热导率会进一步降低。4.2匹配问题温差发电器的输出功率和发电效率与高温端温度:T），低温端温度（T）,温hc差发电回路电流（I），负载电阻（R）,发电器内阻（r）等因素密切相关。在不同条件下

20、，温差发电器的性能差别较大。屈健等应用有限时间热力学理论对半导体温差发电器的工作性能进行了分析，得到温差发电存在最佳参数工作区的结论。潘玉灼等采用非平衡态热力学优化控制理论分析温差电模型，数值模拟结果表明最匹配参数工作条件下输出功率和发电效率可分别提高39和20。发电器热设计也是影响发电效率的重要因素。为了保持较高的温差，往往在发电器低温端增加散热装置，以使热量及较高的温差，往往在发电器低温端增加散热装置，以使热量及时散失。Chein研究指出当器件热阻大于散热器最大热阻时，散热器将不能够散走器件产生的热量，因此与温差发电器匹配的冷端散热方式也是影响发电器性能的重要因素。目前主要的散热方式有：风

21、冷、液冷和相变散热。风冷又分为自然风冷和强制风冷。自然风冷换热器是一定形状的翅片散热器。热阻大小与翅片密度、散热器面积直接相关。目前温差发电器中应用较多的是强制风冷，散热器（如热沉）与风扇结合，低温端热量传导到更大面积的翅片上，借助强制散热将热量散失到空气中。热阻取决于风速，风速越大，热阻越小。强制风冷可有效地提高散热器的对流换热系数，减小散热面积，而且结构简单，易于实现，因而应用广泛。因液体的单位热容较气体大，因而液冷比风冷有更好的冷却效果，研究表明液冷换热系数比自然风冷散热大1001000倍，热阻大小主要与液体的流速有关，流速越大，热阻越低。目前应用的液体散热方式主要有液体喷射冷却、微通道液体冷却和宏观水冷管路冷却。相变散热是利用相变材料相态变化时吸收热量来散热。这种散热方式适用于间歇式工作场合，目前研究最多的是带相变热虹吸管散热。Esarte的研究结果表明带相变热虹吸管可明显提高热流在传热面的均匀性，减小热阻，散热较好。5温差发电技术的展望温差电器件取代传统热机，在很大程度上依赖于更高优值系数的热电材料的研究和开发。低维化、梯度化或元素掺杂等方式都能有效提高热电材料优值，是目前热电材料的研究方向。目前，利用声子散射机制进一步降低晶格热导率是