温差发电一种新型绿色能源技术_温差发电的利用

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温差发电——一种新型绿色的能源技术

班级：材料0901 姓名：刘猛学号：25

【摘要】：温差发电器是能将热能直接转化成电能的固态装置，具有结构简单、稳定可靠、无运动部件、绿色环保等优点，广泛地应用于航天、军事等领域，在废热的回收利用方面也展现出良好的应用前景。本文简要地介绍了温差发电器的工作原理及其结构，介绍了体温差发电器和微型温差发电器的国内外研究进展，并进行了对比分析，提出了温差发电器中存在的问题及解决方案，最后展望了温差发电器的前景。

【关键词】： 塞贝克效应;温差发电

THERMOELECTRIC ELECTRICITY GENERATION ——A NEW GREEN ENERGY TECHNIQUE 【Abstract】：Thermoelectric generators are solid state devices which can directly convert thermal energy to electricity andhave advantages of simple structure, reliability, no moving parts and being friendly to the environment.They are widely used in aerospace、military fields, and have broad prospects in application of recovery of industrial waste heat.This paperbriefly provided the structure of thermoelectric generators and the work principles.Recent developments about thermoelectric generators were given and a comparison between bulk thermoelectric generators and micro thermoelectricgenerators was made.Problems of thermoelectric generators and the solutions were discued.The prospects of thermoelectric devices were finally given.【Key Word】s： thermoelectricity;Seebeck effect 0引言

热能和电能是我们社会生活中最重要的能源形态，其中电能是各种形态能源中传输和使用最多、最为方便的一种。因此，许多能源形态、如太阳能、地热、风能、潮汐能、化学能等等都在其转变为电能之后才能更好、更为方便地被人们广为利用。目前使用的电能有很大一部分是由热能转换而来的，如热电厂、核电厂以及较大规模的太阳能电厂等。在这种能量转换中总是先利用热能加热液体或蒸汽，以驱动汽轮机发电。这个过程复杂、设备昂贵、易出问题、污染环境、能量转换效率低，造成能源浪费。因此关于高效，又不污染环境的能源转换方法的研究必然引起了世界各国科学工作者的广泛关从20 世纪90 年代以来，能源转换材料（热电材料）的研究成为材料科学的一个研究热点。热电材料的应用不需要使用传动部件，工作时无噪声、无排弃物，和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠，使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环境友好材料［１］ 1温差发电 1.1热电效应

1821 年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属（或半导体）所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，这就是热电效应，也称作“塞贝克效应（Seebeck effect）”。材料a、b两端节点存在小温差AT．便会产生Scebeck电势△v，.Seebeck电压与热冷两端的温度差△T成正比, 即

△v = Ｓab△T = Ｓab(T 2-T 1)其中Ｓab是塞贝克参数, 其单位是V/ K(或更常用的单位LV/ K)当△r-0时，可写成：

Ｓab=dV／dT Sab称为Seebeek系数，符号取决于组成热偶的材料本身及节点的温度，大小取决于两节点的温度和组成的材料。［2］ 1.2温差发电的原理

在P 型(N 型)半导体中, 由于热激发作用较强, 高温端的空穴(电子)浓度比低温端大, 在这种浓度梯度的驱动下, 空穴(电子)由于热扩散作用, 会从高温端向低温端扩散, 从而形成一种电势差, 这就是塞贝克(Seebeck)效应.如图所示将P 型和N 半导体的热端相连, 则在冷端可得到一个电压, 这样一个PN结就可以利用高温热源与低温热源之间的温差将热能直接转换成电能, 将很 多个这样的PN 串可得到足够高的电压, 成为一个温差发电机, 很显然这样温 差发电机完全没有转动部分, 因此非常可靠。

温差发电是在塞贝克效应的基础上发展起来的，塞贝克效应是由于导体的温度差而产生电现象。温差电组件的转换效率决定于热电优值系数

式中：σ是电导率，k 是热导率，S 是塞贝克系数，塞贝克系数是指温差电材料上单位温度梯度所产生的电动势。优值系数Z 以K－1 为单位，因此，经常使用的是无纲量优值系数ZT，而不是Z。［3］

1.3温差发电的研究进展

尽管温差发电由于材料成本昂贵等因素的制约未能在工业上大面积采用, 但在军事与航天应用、远离城市的边远地区, 以及海上作业平台等特殊场合还是受到了人们的高度重视, 目前已成功开发出不少产品, 其中部分产品已商品化.(1)军用发电机

早在80 年代初, 美国就完成了军用500～1000W 温差发电机的研制, 80年代末就已正式列入部队装备.美国海军是海洋用放射性同位素温差发电器的最大用户, 其设计工作深度达10km, 功率不小于1W, 寿命长达10 年, 放在深海中给无线电信号转发机系统供电, 该系统作为美国导弹定位系统网络的一个组成部分, 也可用于光纤电缆.1976 年发射的美国空军通信卫星采用了温差发电器.（2汽车尾气发电机

日本开发了利用小汽车尾气废气发电的小型温差发电机, 功率为100W, 可节省燃油5% , 美国宣布试制出了用于大货车柴油发动机尾气系统的温差电机, 最大功率输出达1000W.。美国的艾维戴尔公司研发了回收利用汽车发动机废热的温差发电器，它包括35个热电模块，采用分段温差电材料，Bi2Te3用于低温范围，PbTe、TAGS、ZnSb3用于中温范围，CeFe4Sb12、CoSb3用于高温范围，工作温度范围为423K~973 K。利用废热与冷却剂的温差进行发电，当温差为400 K,发电功率为750 W（3）海洋温差能的利用

地球表面积的70%是海洋, 而海洋是巨大的能源库。太阳注入地球表面的能量换算为电功率约为1 013 kW,其中约2 /3用于加热海面表层海水, 其与深水的温差超过20 以上。全世界海洋温差能的理论估计储量为100亿千瓦, 所以海洋温差能转换被国际社会普遍认为是最具开发利用价值和潜力的海洋能资源。日本通产省工业技术院阳光计划中, 由低温差发电委员会对发电功率10万千瓦级的海上浮体式发电站作了计划, 该发电站朗肯循环效率为3.44%, 净效率为2.04%。秘鲁海水温差发电站是日本阳光计划的一部分, 它采用的工质不是氨, 而是氟利昂HCFC22。20世纪80年代以来, 日本开发了kW、75 kW、100 kW 等容量不同的发电设备, 1996年还验证了采用NH3 /水的混合工质循环试验设备, 以及设置在海洋水面上的发电设备。该电站建在岸上, 最大发电量为120 kW, 获得31.5 kW 的净出力［4］（4）工业废的再利用

工业生产过程中产生的余热数量相当可观, 如气轮机, 内燃机等热机燃料所产生的能量50% 左右通过排烟扩散到了大气中, 钢铁、水泥以及纺织工业等在生产过程中也有大量余热没有充分利用, 研究表明采用温差发电技术可以有效利用余热中10%~ 20%的能量。对内燃机电站废气进行温差发电的研究表明, 对于一个10 MW 的机组, 如果排气温度为370 e , 烟气流量6 万m3 / h, 采用温差发电扣除掉维持系统自身远行的冷却水泵消耗功率后可以得到160 kW 的功率, 转换效率为3.88%日本的工业研究所研发出利用工业废热的温差发电器[11]，由串联的热电模块组成，安装在工业熔炉内凉水夹套的表面，热端涂有SiC膜，接收熔炉保温层的辐射热，冷端被凉水冷却。当工业熔炉产生的热量为200 kW,温差发电器的热电转换效率7.5%，发电量可达4 kW，可用于驱动真空泵和控制仪表［5］ 2提高温差发电效率的途径

提高温差电转换效率的关键是提高ZT。半导体温差电材料的热导率与电子热导率和晶格热导率有关，而且多半取决于晶格热导率。降低晶格热导率不会引起电导率的大幅下降。提高热电材料的塞贝克系数和降低热导率可以提高温差电材料优值系数。除材料外，温差发电器的性能还决定于其组件结构的优化设计（1）掺杂半导体提高塞贝克系数

俄亥俄州的科学家、加州理工学院和大阪大学联合研究通过加入掺杂物控制热电材料的电子态。PbTe是热电领域被广泛研究的材料，与其他半导体一样，它容易和元素周期表中相邻的元素掺杂。试验表明，掺杂铊是控制PbTe电子态的最佳选择。铊的加入，使处于室温下的电子通过热激发达到更高的能带之前，在价带上产生了另一个能量级———共振级价带上可用电子态的增加来提高赛贝克系数。结果表明，Ti-PbTe的ZT 值提高到1.5，将原来0.71 的ZT 值提高了两倍多，达到目前PbTe合金材料的最佳水平。需要说明的是这种方法没有运用调整结构降低热导率的方法，电子态控制和结构控制不是相互排斥的，可以结合在一起更大程度地提高ZT 值［6］。（2）降低热电材料的热导率

实验表明，温差材料导热系数增加, 温差电元件两端的温差减小, 发电器温差电动势和输出功率下降, 其转换效率随之降低;但由于材料的性质和力学原因，热导率的降低程度会受到限制。因此这种途径不是发展的主流途径（3）改变材料结构提高热点性能

通过纳米技术在热电材料中掺入纳米尺寸的杂质相制备纳米复合结构热电材料杂质相可为绝缘体、半导体或是金属, 也可以为纳米尺寸的空洞), 通过调整或者控制掺入杂质的成份、结构和大小得到纳米级的新相, 达到提高热电材料ZT 值的目的。《自然》杂志报道出一种新型热电材料，ZT 值为2.4 的薄膜P 型Bi2Te3/Sb2Te3 半导体材料。通过改变半导体Bi2Te3和Sb2Te3 的层结构，使Bi2Te3/Sb2Te3半导体具有一种新的超晶格结构。通过控制超晶格中光子和电子的传输提高材料的性能。薄膜材料的研究进展在于满足了小体积的需要。Hi-Z技术是使用先进的薄膜量子阱热电技术，这种材料比Bi2Te3热电材料性能更好，设计体积也可大大减［7］

除了材料外，制造工艺、组件结构的优化设计都会影响温差发电器的转换效率。有研究表明，提高热电组件的输出功率可以通过调整温差电元件长度实现。热电组件最大输出功率被定义为当组件电阻与负载电阻匹配时产生的最大输出功率。热电组件的转换效率

不同是因为组件热面需要准确地确定热输入。提高组件的转换效率可以通过增加温差和增加温差电元件长度来实现。温差电元件长度通常与最大输出功率和最大转换效率有关调整热源、散热器和热交换也能影响热电转换效率。影响转换效率的关键参数有很多，有研究人员认为接触热源的表面面积，器件的温度梯度，温差发电器和热源之间的热导率都是重要因素［8］ 3温差发电的前景展望

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。温差发电是一种新型的发电方式, 具有清洁, 无噪音污染和有害物质排放, 高效, 寿命长, 坚固, 可靠性高, 稳定等一系列优点, 符合绿色环保要求, 对国民经济的可持续发展具有重要的战略意义.参考文献

［１］任红轩《热电材料在能源中的应用》

［２］胡放戚学贵王学生任超代晶晶《冷能温差发电技术及材料研究进展》5化工装备技术6 第30卷第6期2009年

［３］何元金陈 宏 陈默轩《温差发电——一种新型绿色的能源技术》工科物理 Vol.10 No.2 2000 ［４］封光钟爽《海洋温差发电的研究现状与展望》中图分类号: TK 01

文献标识码: A ［５］张腾, 张征《温差发电技术及其一些应用。》中图分类号: TM 913 文献标志码: B 文章编号: 1005-7439(2009)01-0035-05 ［６］武桂玲，郁济敏《温差发电器热电材料的研究进展》中图分类号: TM 913 文献标识码: A 文章编号：1002-087 X(2009)08-0740-02 ［７］贾阳任德鹏《温差发电器中热电材料物性的影响分析》中图分类号: TM 913 文献标识码: A 文章编号: 1002-087 X(2008)04-0252-05 ［８］史迅 席丽丽 杨炯 张文清陈立东《热电材料研究中的基础物理问题》

物理·４０卷（２０１１年）１１期