温差发电技术的应用和展望

1温差发电技术的应用和展望湖南大学汤广发李涛卢继龙Changsha,CollegeofCivilEngineering,HunanUniversityTangGuangfa,LiTao,LuJilong汤广发，男，广东梅州人，1937年12月，教授博导李涛,男,湖南长沙人，1979年4月生,硕士研究生邮编：410082湖南大学十舍514房(0)13548595424E-mail:[e-mail]国家自然科学基金资助课题，基金号：50578059摘要：温差发电是一种合理利用余热、太阳能、地热等低品位能源转换成为电能的有效方式。温差发电具有结构简单，坚固耐用，无运动部件，无噪音等特点。目前在国外已广泛研究，我国鲜见相关研究报道。相信随着温差电材料优值的发展，温差发电的前景非常广阔。关键词:温差发电;优值TheOutlookandApplicationofThermoelectricGenerationAbstract:Thermoelectricgenerationisaproperwaytogeneratepowerbyusingwasteheat,solarenergy,geo-heat,whichcan’tbeeasilyconvertedintopower.Thermoelectricgeneratorisakindofequipmentwithcompactstructureandlonglifespanwithoutmovingpartsandnoise.Theapplicationofthermoelectricgenerationhasbeendonewidelyabroadnow,butseldomreportedathome.Followingthedevelopmentofmeritsofthermoelectricmaterial,applicationofitwillbegreatinthefuture.Keyword:thermoelectricgeneration;merit0引言温差发电是一种合理利用余热、太阳能、地热等低品位能源转换成为电能的有效方式。温差发电具有结构简单，坚固耐用，无运动部件，无噪音等特点。目前在国外已广泛研究，我国鲜见相关研究报道。1塞贝克效应1821年，德国科学家塞贝克（Seebeck）报导了一个有趣的实验结果：当把一个由两种不同导体构成的闭合回路置于指南针附近时，若对该回路的其中一个接头加热，指南针就会发生偏转。这一现象即被称为塞贝克效应，也就是温差电现象。图1塞贝克效应示意图如图1所示，由a、b两种不同材料构成的电路，若两个接点A、B之间存在温差△T。、D之间会产生电动势Eab。Eab的大小与接点间的温差成正比：Eab=ab△T式中ab称为塞贝克系数，又称为材料对的温差电动势率，其值为ab=dTdE，其单位V/℃。2温差电技术的应用2.1使用普通燃料或利用余热热源使用普通化石燃料作热源以形成温差发电器的实用系统首推美国专为野外使用而发展的军用电源[1]。它们以各类军队常用的燃油燃烧产生的热量为热源转换为供给战场、尤其是前沿阵地各种电器设备的电能。由于在这些环境中低噪声、能快速启动、能长期连续工作、易携带、维护方便、后勤保障便利等是使用方首要的考虑，在这些方面，温差电转换发电器大大优于常用的内燃式驱动发电机和化学蓄电池。1988年美国生产了一种外型尺寸为41.2cmX42.2cmX27.3cm的燃烧式温差发电器,该设备的发电元件由120对热电偶组成,可使用多种军用燃油,一次装载后能连续工作12小时,产生13.1V直流电压,向负载提供120W的电功率。随着环保意识的加强以及对传统能源未来匮缺的担心，充分利用余热发电的技术手段日益受到关注。2003年黎巴嫩大学的学者将温差电发电器的热端与该国的一种做饭用的火炉外壁连接，冷端置于空气中，利用炉壁的高温与环境的温差来发电[2]。其实验中所使用的温差电元件即产自中国，因为中国的元件性价比最高，该设备实验中单片元件可产生4W的电功率。中国目前已成为世界上最大的温差电元件生产出口国，这为我国未来温差电的广泛应用打下了坚实的基础。2.2太阳能和地热能热源太阳能和地热能是新能源体系的主要组成部分，它们无污染，而且可以认为是无匮缺的长期资源。太阳能利用最为方便的形式是集热，通过集热后产生的温差即可用于发电。2004年泰国学者通过利用置于屋顶的铜板吸收太阳能集热升温与环境之间的温差发电图2黎巴嫩的一种做饭用火炉带动轴流风机引导屋顶空气自然对流从而达到给屋顶降温的效果[3]。如图3所示图3利用温差发电给屋顶降温图4每时太阳能最大密度下温差电系统的效率(eff)和产电量(power)地球内部蕴藏着巨大的地热资源,据估计约为24101kj。在地表面以下15km范围内，每深100m，温度升高3K。英国的北海油田预计在若干年后石油开采尽，将不再有开采价值，如何利用原有的设施成为一个现实的经济问题。现在考虑的一个设想就是把海水压入洋底深井中吸收地热再抽出来，与地面之间存在数十度的温差，利用此温差可以启动温差电转换型的发电组。由于温差小，因此需要靠相当的规模才能产生出有现实意义的电能。影响该方案实施的主要问题是经济可行性，取决于基础材料及系统设计的优化、寿命与可靠性的提高。尽管如此，作为一种能利用仅几十度的温差，对环境无污染、结构简单的技术手段，温差电转换发电器仍是有良好前景的设施。2.3放射性同位素热源（RTG）对于需要长时间不间断供电而且无须人工维护的应用，温差电转换发电是一种较为理想的选择。所剩下的主要问题就是要寻找一个同样是体积小、寿命长的相应热源。由同位素图5通风屋顶在夏季和冬季的换气率图6普通屋顶传热系数（qhn）、装备温差电设备屋顶传热系数(qte)、屋顶传热减少百分比(CHGR)放射产生热量的方式因其能量密度高、工作寿命长、可靠性高等优点被视为理想热源。医学应用：放射性同位素热源的温差发电器用于向人体植入的器官或辅助器具供电，使之能长期正常工作，如人造心脏或心脏起博器[4]。这类产品可耐受1600K以上的高温，其辐射水平比夜光表还低，依据放射源的半衰期其使用期限可达87年。海洋和地面应用：随着人类在边远地区、海洋的活动不断增加，对能长期工作而不用太多维修的能源系统的需求日增。美国海军是海洋用放射性同位素温差发电器的最大用户。他们使用的典型发电器为GulfMillibats[5]，设计的工作深度达10KM，温差电偶材料为碲化铋，热源为同位素锶-90，可以提供电压为1.5到1.8V，功率不小于1W，寿命长达10年，通过直流-直流转化器获得24V的输出电压。1961年12月在ChesapeakeCurtis海湾为核动力系统设置的第一台SNAP[6]系统，在阿拉斯加的Umeat无人气象站[7]。该站电能由一个至少6年无需维护的温差发电器提供。空间应用：卫星用原子核辅助能源系统（SNAP）的发展始于1955年。1961年6月，美国海军装有SNAP3A这种能源系统的卫星TRANSIT4A发射成功，能源系统运转正常，标志着放射性同位素能源系统首次被用于太空[8]。随着人们对温差发电器的太空应用的深入，在1977年发射的木星、土星探测器旅行者1和2号上的温差发电器的功率已从最初的2W到3W上升到了155W。美国仙童空间电子公司已提出了一种放射性同位素温差发电器（如图７所示）的新设计。它采用通用热源模块、SiGe-GaP温差热电偶及温差电器件组件化的模式，一个18单元280W的系统正常工作时效率可达到9.41%。3温差发电技术的展望随着人类空间探索活动的日渐展开,医用物理学的进展以及在地球难于到达地区日益增加的资源考察与探查活动,需要开发一类能够自身供能且无需照看的电源系统。显然,温差发电对这些应用极为适合。它具有结构简单，坚固耐用，无运动部件，无噪声等特点。对于遥远的太空探测器来说，放射性同位素供热的温差发电器是目前唯一的供电系统。此外，随着图7目前应用的由18个通用热源和SiGe热电偶组成，功率280W的RTG热源温差发电器全球石油消耗的剧增而伴随的全球能源价格的不断攀升，人们开始对全球目前以石化能源为主体的能源结构所带来的社会和经济问题进行反思，越来越多的技术活动集中到新能源的开发及各类能源的综合利用方面。这自然而然将促进有商业价值的大规模温差发电的可行性进行广泛的研究，尤其是自然界中存在温差的利用以及工业余热的开发利用。尽管目前温差发电的效率一般不超过14%，远低于普通发动机40%的效率。然而，温差发电能利用自然界存在的非污染能源，具有良好的综合社会经济效益。温差电器件性能的高低依赖于优值的大小，因此，进一步提高优值一直都是温差电研究的中心课题。利特曼（Littman）和戴维森(Davidson)采用非可逆热力学理论对理想的温差电偶进行了研究[9]，结果表明从热力学的基本定理来说，温差电优值没有上限。这一结果并非实际材料的优值可无限扩大，但更高优值的材料很可能会出现在金属合金和半导体材料之外。例如，韩国和日本的学者研制了可用于高温范围的温差电转换的炭化硅半导体陶瓷材料。这种材料基本保留了半导体特性，又具有陶瓷材料的热稳定性和机械性能，材料内的微结构和各种非均匀性对材料的热电性能有显著的影响。结语现在我国已是世界上最大的半导体热电元件的生产国，我国的产品价格较之欧美的同类型产品便宜一半以上，性能基本相当。我国政府当前大力倡导可持续发展战略，号召建立节约型社会，在这一宏观背景下，我国的温差发电技术的应用必将逐步深化发展。参考文献：[1]GvazzoniG.MillitaryThermoelectricGenerator.The1stEuropeanConferenceonThermoelectric,Cardiff,U.K.:1987-09-15,p302-11[2]RidaY.Nuwayhid,AlanShihadeh,NesreenGhaddar.Developmentandtestingofadomesticwoodstovethermoelectricgeneratorwithnaturalconvectioncooling,EnergyConversionandManagement46(2005),p1631-1643[3]S.Maneewan,J.Khedari,B.Zeghmati,J.Hirunlabh,J.Eakburanawat.Investigationongeneratedpowerofthermoelectricroofsolarcollector,RenewableEnergy29(2004),p743-752[4]HixonJ.D,LaurensP.DesigncriteriaandtwoyearclinicalresultsofPu-238fuelleddemandpacemaker.Proceedingsof7thIECER,SanDiego,California:1972,765-70[5]CarneyHC.Comparisonofstrontium-90andplutonium-238milliwattthermoelectricgenerators.2ndInternationalSymposiumonPowerfromRadioisotopes,Madrid,Spain:1972,p143-63[6]Gajewski.J.ExperimentalthermoelectricgeneratorSNAP-3.PrzegladElektrotech,1961,(38):252[7]RadioisotopeReport.RadioistopeWeatherstation.OECDNuclearEnerg