太陽能溫差發電技術的研究進展

朱冬生，吳紅霞，漆小玲， 周澤廣

（1.華東理工大學機械與動力工程學院，上海200237；2.華南理工大學化學與化工學院強化傳熱與過程節能教育部重點實驗室，廣東廣州510640）

隨著能源與環境問題的日益突出,礦物能源來源枯竭和污染環境的挑戰，太陽能的熱利用越來越受到人們的重視。太陽能作為一種綠色可再生能源，具有儲量大、利用經濟、清潔環保等優點。溫差發電技術是利用塞貝克效應(Seebeck效應)直接將熱能轉化為電能的發電技術，具有無運動部件、體積小、質量輕、可靠性高等特點，是綠色環保的發電方式。將溫差發電技術和太陽能集熱技術結合起來能夠直接將太陽熱能轉化為電能，大大簡化了發電系統的結構，具有廣闊的應用前景。

本文介紹了太陽能溫差發電技術的原理，回顧了國內外的研究進展，介紹了自行設計的太陽能連續溫差發電系統，結合國內外的研究，提出了應對系統發電效率低的研究策略，并指出太陽能溫差發電的應用前景廣闊。

1 太陽能溫差發電系統原理

太陽能溫差發電是利用塞貝克效應將收集到的太陽熱能直接轉化為電能。塞貝克效應是利用熱電材料兩端的溫差使材料的載流子發生運動，進而實現能量形式的轉換[1]，如圖1。將P型和N型兩種不同類型的熱電材料（P型是富空穴材料，N型是富電子材料）一端相連形成PN結，使其一端置于高溫狀態，另一端處于低溫態，由于熱激發作用，P（N）型材料高溫端空穴（電子）濃度高于低溫端，在濃度梯度的驅動下，空穴和電子向低溫端擴散，從而形成電動勢，這樣熱電材料就通過高低溫端間的溫差將高溫端輸入的太陽熱能直接轉化成電能。

太陽能溫差發電技術屬于光-熱-電發電方式，但又不同于由太陽能集熱器將所吸收的熱能通過傳熱介質產生高溫蒸氣后再驅動汽輪機發電的傳統熱電發電方式。其系統技術原理是利用太陽能聚光型集熱器對溫差熱電轉換器的一面進行加熱形成熱端，而熱電轉換器的另一面通過散熱器冷卻系統形成冷端，這樣兩端就形成了一定的溫差，由于半導體材料的賽貝克效應實現熱能向電能的轉換，從而可直接給負載電器供電或把電能用蓄電池儲存起來。

2 太陽能溫差發電國外研究進展

溫差發電開辟了利用太陽能的一個新途徑。1922年，Coblentz為了測量其他星球的紅外輻射，利用第一臺太陽能溫差發電裝置進行了測試，因為當時系統所用熱電材料的ZT優值低（＜0.4），太陽能集熱率和熱端溫度低，所以系統的效率很低(＜1%)[2]。1954年，M．Telkes研發出由25對溫差電偶組成的太陽能溫差發電機，聚光型的溫差為247℃，效率達3.35%。前蘇聯在1960年已經研制成功100瓦的實驗性太陽能溫差發電機。最近二十幾年，隨著溫差發電技術的進步以及新能源漸熱全球，太陽能溫差電發電技術得到了長足的發展。

1996年Chen計算了基于平板集熱器的太陽能熱電發電中的一些基本問題，如轉化效率，最大輸出功率，負載的影響等；H.Naito等使用拋物面鏡開發了一種太陽能熱電轉換器。1998年，Omer等人研究了太陽能熱電發電中的器件優化問題。指出器件的尺寸優化對于提高效率非常重要[3]。2001年，Stevens W J[4]在考慮了熱端板、冷端板熱阻的情況下研究了線性、鋸齒形和正弦溫差分布情況下熱電器件效率的變化。2003年Scherrer H等[5]建立的基于方鈷礦的熱電器件模型，著重考慮了集熱器和散熱器面積與P/N結面積比對熱電器件效率的影響。

2004年泰國學者[6]設計了一種利用太陽能溫差發電的屋頂，用銅板集熱器來吸收太陽輻射能，溫差發電器的熱端溫度升高，這樣與冷端形成溫度梯度，進行溫差發電。該太陽能溫差電屋頂可以產生1.2 W/m2的電力，可存儲供夜晚使用。2006年，日本學者Hasebe等利用夏日路面高溫做熱源，熱交換管為集熱器，采用19組溫差電組件，如圖2所示。在熱管管內液體流速為0.7 L/min時，輸出功率3.6 W。Vorobiev Y等[7]研究了串聯的太陽能光電—熱電復合發電系統在不同的日照條件下的效率變化。

2009年Amen Agbossou等人[8]通過數學計算設計了太陽能連續溫差發電系統。將相變儲能和溫差發電相結合，利用相變材料白天儲存太陽能的熱量，夜晚對發電組件提供熱量進行連續發電。模擬實驗結果得到熱輻射，系統外部溫度和熱對流的耦合效應對太陽熱能的獲得有顯著影響。在最優化熱阻和環境條件為風速2.5m/s,太陽輻射1200 W/m2,環境溫度20～30℃下，單個組件發電功率可達到0.8 mW。

2010年R．AMATYA和R．J．RAM[2]通過熱力學分析預測了太陽能溫差發電器的熱電轉換效率，得出在太陽能集熱器聚光比為66時，商業Bi2Te3模型的系統效率是3%，輸出功率是1.8 W；使用新型溫差發電材料N型ErAs∶(InGaAs)1－x-(InAlAs)x和P型材料(AgSbTe)x(PbSnTe)1－x的溫差發電器在太陽能集熱器聚光比為120時，轉換效率可以達到5.6%。

3 太陽能溫差發電國內研究進展

國內在溫差發電方面的研究起步相對較晚，主要集中在理論和熱電材料的制備等方面的研究，因此國內對太陽能溫差發電整體系統的研究相對來說也是比較少。

宋啟鵬等[9]將太陽能熱水器與半導體溫差發電模塊有機結合得到太陽能驅動半導體溫差發電設備，并提出太陽能溫差發電并網的思路。熱水和冷水的溫差能達到60℃以上，可以達到溫差發電條件，輸出功率達到10 W。陳允成等[10]提出了一種小型半導體溫差發電模塊，并應用于太陽能溫差發電系統。該系統設有橫式放置的小焦距拋物柱組合式反射陣面聚光，采用高效的太陽能聚熱裝置將太陽能轉化為熱能，然后將熱能供給半導體溫差發電模塊熱端，冷端采用液氨循環散熱，產生溫差，實現半導體溫差發電，其輸出功率約為2 W。倪華良等[11]分析了建設太陽能溫差發電站中的成本與收益問題，得出可以通過調節溫差電材料用量、導線總長、冷卻能耗等設計參數，使總成本最小。他們還計算了輸入功率對效率的影響，當平均效率為50%時，太陽能溫差發電站每平方公里每年發電量可達8.3×107kWh。林比宏等[12]應用非平衡態熱力學理論，分析了有限速率傳熱和太陽能集熱器的熱損失對太陽能驅動半導體溫差發電器性能的影響，確定發電器在最大效率時的優化條件，對系統的主要參數作了詳細的討論。

近年來，武漢理工大學張清杰教授同日本科學家新野正之合作，提出了將基于高效熱電材料的太陽能熱電轉換技術與基于光伏電池材料的太陽能光電轉換技術進行集成復合的太陽能熱電―光電復合發電技術的新的科學構想，研制出了國際上第一臺太陽能熱電―光電復合發電的實驗系統并試驗成功，開辟了太陽能全光譜（200～3000 nm）直接高效發電技術的新途徑。其太陽能熱電-光電復合發電系統，如圖3所示，包括聚焦子系統、分光子系統、熱電子系統和廣電子系統。它利用波長分離器將聚焦后的太陽光在某一波長處分開，將波長比較長的光用于溫差發電，波長比較短的光用于光電發電，使整個太陽光譜的光都能充分利用，從而提高太陽能的發電效率。

電子科技大學曾葆青等[13]通過對聚光集熱器、溫差發電器(集熱板、熱電模塊、水冷卻系統)等部分的研究，組裝了一套集熱式太陽能溫差發電裝置，如圖4所示。在不同太陽輻射功率、不同熱電模塊數量情況下，實驗測得溫差發電器的輸出功率，在太陽輻射功率880 W／m2時，可輸出功率約10 W。

武漢理工大學TIANQI YANG等[14]對太陽能溫差發電整體系統進行了模擬和優化，建立了基于高性能熱電材料的發電器的三維有限元分析模型，并對其在不同操作環境下進行了性能分析，得出熱損耗和接觸熱阻對轉換效率有重要影響的結論，并說明如果忽略熱損耗和接觸熱阻，裝置的效率可達到9.95%。PENG LI等[15]對聚光太陽能溫差發電器的設計進行研究，建立了實驗模型和系統的數學模型，實驗裝置的單元結構如圖5，通過模擬和實驗指出了聚光比和熱電材料冷端散熱方式的選擇對發電效率有著重要影響，得出基于熱電材料Bi2Te3、方鈷礦和AgSbPbTe合金的發電裝置的最高效率分別為9.8%、13.5%、14.1%。

4 太陽能溫差發電系統的設計思路

目前在多種溫差發電的應用研究中，太陽能溫差發電處于研發階段。太陽能溫差發電熱電轉化效率普遍較低，太陽能集熱、溫差發電模塊的性能和兩者之間的匹配問題限制了其發展和應用。目前，太陽能溫差發電系統主要存在如下問題：

(1)太陽能集熱器采用的集熱方式效率不高，影響熱端溫度的提高，不能保證穩定高效的溫差，從而影響了系統的發電性能；

(2)溫差發電器件的內阻較大，影響了輸出功率的提高[16]；

(3)溫差發電系統的負載電阻與溫差發電器件內阻尚未達到最佳匹配[17]。

為了解決以上問題，本實驗組自行設計并搭建了不需要復雜的太陽能跟蹤裝置的復合拋物面聚光集熱器（簡稱CPC集熱器，下同）太陽能溫差發電系統。系統的設計包括太陽能集熱器、溫差發電器和冷熱源流體循環三部分。溫差發電的性能除了與發電芯片采用熱電材料的優值有密切關系外，還與芯片兩端的溫度及其溫差有重要的關系。一般的，溫差發電器的輸出功率與兩端溫差的平方成正比，發電效率與溫差呈正比。因此，太陽能集熱溫度和溫差發電器中良好的取熱、散熱設計對系統獲得高效的發電性能至關重要。

4.1 集熱器的選擇

由于非聚光集熱器很難達到較高的溫度，而拋物面聚光器又需要復雜的跟蹤系統，價格昂貴。CPC復合拋物聚光器是一種非成像低聚焦度的聚光器，它根據邊緣光線原理設計，可將給定接收角范圍內的入射光線按理想聚光比收集到接收器上。由于它有較大的接收角，故在運行時不需要連續跟蹤太陽，只須根據接收角的大小和收集陽光的小時數，每年定期調整傾角若干次就可有效地工作，因此CPC集熱器有著廣泛的應用前景。由于所用溫差發電芯片是常規的“三明治”式結構，因此本設計采用平板型CPC集熱器，它由2片槽狀拋物線型的拋物反射面和底部的平板接收面組合而成。避免二次換熱，底部的平板直接由具有高導熱系數的供集熱工質循環的口琴板的上表面涂覆選擇性吸收涂層代替。集熱器四周使用保溫材料保溫，上面和兩側分別使用透明玻璃板防止熱量散失。

4.2 溫差發電模塊的匹配

溫差發電模塊的輸出功率和發電效率與高溫端溫度，低溫溫度，接觸熱阻等因素密切相關。研究表明液冷換熱系數比自然風冷散熱大100～1000倍[18]，為了提高傳熱速率，系統使用具有高導熱系數的口琴板作為冷熱流體的循環管路，吸收了太陽能熱量的導熱油作為熱流體，常溫自來水作為冷流體。將68塊商用溫差發電芯片進行串聯組成溫差發電模塊，利用絕熱橡膠墊使芯片周圍保溫和固定芯片，發電模塊的冷熱端分別通過高導熱硅膠貼覆在高導熱口琴板表面，然后使用螺絲釘將兩塊口琴板緊緊固定在一起。

4.3 太陽能溫差發電系統流程

溫差發電系統是由復合拋物面(簡稱CPC)太陽能集熱器、儲能裝置、半導體溫差發電模塊和散熱冷源耦合而構成的，它滿足了發電模塊發電所需的溫差條件。圖6為本實驗組提出的溫差源實現方式。圖中導熱油的熱量由太陽能集熱器得到，溫度達到90℃以上，常溫自來水溫度一般為20～25℃，所以溫差模塊冷熱兩端的溫差能達到60℃，可以達到溫差條件，導熱油和水在導熱系數較高的口琴板中循環，因熱交換需要時間較長，油和水循環速度不需要很快，所以圖中微型循環水泵消耗的功耗很低。因為導熱油循環是密封系統，所以被加熱的導熱油儲存在儲能箱里面，晚上釋放熱量作為溫差發電模塊的熱源，這樣系統就可以進行晝夜連續發電。

5 結論

太陽能半導體溫差發電具有無噪聲、無污染、穩定性好、可靠性高、運行壽命長等優點,是新能源開發和未來空間動力的理想技術。目前，在太陽能溫差發電方面雖然取得一些進展，但是仍然存在一些有待于解決的問題，結合國內外太陽能溫差發電技術的研究進展可以從以下三方面展開工作：（1）尋找集熱效率高且成本低的太陽能集熱方式。設計與溫差發電模塊相匹配的聚光集熱器，在聚光集熱器上設置蓋板，減少熱損耗是提高性能的重要途徑。（2）開發高性能熱電材料，提高溫差發電模塊的性能。摻雜、準晶體結構、低維化、超晶格結構以及納米技術均能有效地提高材料熱電性能，因而成為熱電材料的發展方向。（3）尋找溫差發電模塊和系統其它部件之間的匹配規律。可結合ANSYS有限元仿真對溫差發電器進行模擬，確定最優的物理參數和幾何參數，實現器件的結構優化設計，對高低溫端實施合適的熱管理，也是提高發電效率的重要途徑。

我國太陽能十分豐富，如果借助熱電器件來有效地利用太陽能，把它轉化為電能，將產生良性循環，不僅可以緩解日益嚴重的環境問題，而且必定具有很大的經濟價值和社會效益。因此，研究太陽能集熱、溫差發電模塊的性能以及兩者之間的匹配問題，提高太陽能溫差發電效率有著非常現實的意義。

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