淺談溫差發(fā)電

■ 嚴李強 程江* 劉 茂元

(1.西藏大學工學院；2.西藏大學理 學院)

0 引言

溫差發(fā)電是繼核能、太陽能、風能之后的又一種新能源利用方式，備受世界各國的關(guān)注。溫差發(fā)電不受天氣影響，無噪音、壽命長，但也存在一個嚴重短板——半導體材料的熱電轉(zhuǎn)換率不高。目前溫差發(fā)電技術(shù)的研究方向主要有兩個：一是半導體熱電材料的研究，在純凈半導體材料中摻入微量的其他元素，如純凈的硅晶體中摻入少量的磷、硼，可有效提高半導體的熱電轉(zhuǎn)換率；二是研究更加優(yōu)化的工藝，即增大或提供持續(xù)穩(wěn)定的溫差，如太陽聚光集熱裝置[1]。

1 溫差發(fā)電基本概念

從1821年塞貝克在實驗中發(fā)現(xiàn)溫差發(fā)電至今，已有半導體溫差發(fā)電、太陽能溫差發(fā)電、同位素溫差發(fā)電、海洋溫差發(fā)電等溫差發(fā)電形式[2]。其中，前3者的基本原理都是塞貝克效應(yīng)，而海洋溫差發(fā)電原理更加接近水電原理，它是將海面溫海水送進真空鍋爐，使之汽化，然后推動汽輪機旋轉(zhuǎn)發(fā)電，再用冷海水將乏汽冷凝，循環(huán)利用。

用塞貝克效應(yīng)可實現(xiàn)熱能與電能的轉(zhuǎn)換，即在兩種不同材料的半導體構(gòu)成的回路中，當一端處于高溫狀態(tài)，另一端處于低溫狀態(tài)時，回路中便可產(chǎn)生電動勢[3]，原理如圖1所示。其中，電動勢計算公式如下：

式中：ε為電動勢；Th為高溫端溫度；Tl為低溫端溫度；α為熱電材料的塞貝克系數(shù)(不同材料的塞貝克系數(shù)不同)。

圖1 溫差發(fā)電原理圖

表1 常見半導體材料的塞貝克系數(shù)

常見半導體材料的塞貝克系數(shù)[5]如表1所示。從表1數(shù)據(jù)可知，不同材料的塞貝克系數(shù)不同，相同材料作為不同類型的半導體時塞貝克系數(shù)也不同。

2 半導體溫差發(fā)電

2.1 半導體溫差發(fā)電原理

半導體溫差發(fā)電是利用塞貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，原理如圖2所示。為提高發(fā)電量，第一是使用更高塞貝克系數(shù)的半導體材料；第二是引入更高、更穩(wěn)定的熱源和恒定的冷源以產(chǎn)生穩(wěn)定的、較大的溫差。

圖2 半導體溫差發(fā)電示意圖

半導體溫差發(fā)電熱源的形式多樣，使用熱水作為熱源的半導體溫差發(fā)電裝置如圖3所示，使用聚焦太陽光作為熱源的半導體溫差發(fā)電裝置如圖4所示，圖4又稱集熱式太陽能溫差發(fā)電裝置。采用型號TEC1-031100T200、規(guī)格為40 mm×40 mm×4 mm溫差發(fā)電片的集熱式太陽能溫差發(fā)電裝置實驗測量數(shù)據(jù)部分結(jié)果[1]見表2。

圖3 太陽能溫差發(fā)電示意圖

由表2可見，半導體溫差發(fā)電機，在相同組件條件下，溫差越大輸出功率越大；在相同溫差環(huán)境下，組件數(shù)越少輸出功率越大，即單位面積溫差越大輸出功率越大。

圖4 集熱式太陽能溫差發(fā)電示意圖

表2 集熱式太陽能溫差發(fā)電裝置實驗數(shù)據(jù)

針對單一的太陽能溫差發(fā)電存在太陽能利用率不高的情況，學者們分別提出了太陽能熱電-光電復(fù)合型發(fā)電和分頻型發(fā)電系統(tǒng)。其中分頻型發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)溫差發(fā)電及光伏發(fā)電的特點，將入射頻率(hv)大于Eg的光，即波長在200～800 nm的太陽光用于光伏發(fā)電；小于Eg的光，即波長在800～3000 nm太陽光攜帶的大量熱量用于溫差發(fā)電，不僅提高了太陽光利用率，而且降低了用于光伏發(fā)電的光因電池溫度升高對發(fā)電效率的影響，優(yōu)于復(fù)合型發(fā)電系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，分頻型系統(tǒng)發(fā)電效率隨聚光比的增大而增大[6]。

2.2 半導體溫差發(fā)電的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

半導體溫差發(fā)電技術(shù)的研究起源于20世紀40年代，最先由前蘇聯(lián)研制成功，其發(fā)電效率僅為1.5%～2%；到20世紀60年代其研究達到一個高峰，隨后半導體溫差發(fā)電成功應(yīng)用到航天和軍事等領(lǐng)域。進入21世紀后，因半導體溫差發(fā)電是一種對環(huán)境無污染、可持續(xù)的全固態(tài)形式的熱電轉(zhuǎn)化技術(shù)，民用半導體溫差發(fā)電成為一個極其重要的研究方向。

在國外，1922年第一臺太陽能溫差發(fā)電裝置用于測量各星球的紅外輻射。1954年，Telkes M研制出由25對溫差電偶組成的太陽能溫差發(fā)電機，其可形成247 ℃的溫差，效率達3.35%。2004年泰國學者設(shè)計出一種用銅板做集熱器的太陽能溫差發(fā)電屋頂，可產(chǎn)生1.2 W/m2的電力。2006年日本學者Hasebe等以夏日路面的高溫為熱源，熱交換管為集熱器，采用19組溫差電組件。2010年Amatya R和Ram R J通過熱力學分析預(yù)測了使用新型溫差發(fā)電材料n型ErAs:(InGaAs)1-x(InAlAs)x和p型(AgSbTe)x(PbSnTe)1-x的溫差發(fā)電器在太陽能集熱器聚光比為120時，轉(zhuǎn)換效率達到5.6%[7]。

在我國，宋啟鵬等將太陽能熱水器與半導體溫差發(fā)電模塊結(jié)合得到太陽能驅(qū)動半導體溫差發(fā)電設(shè)備。張清杰與新野正之提出了太陽能熱電-光電復(fù)合發(fā)電技術(shù)。曾葆青等通過聚光集熱器、溫差發(fā)電器等組裝了一套集熱式太陽能溫差發(fā)電裝置。 Yang T Q等建立了基于高性能熱電材料的發(fā)電器三維有限元分析模型，得出裝置效率達9.95%。Li P等對聚光太陽能溫差發(fā)電器的設(shè)計進行了研究，得出基于熱電材料Bi2Te3、方鈷礦和AgSbPbTe合金的發(fā)電裝置，效率分別為9.8%、13.5%和14.1%[7]。

半導體溫差發(fā)電目前主要用于勘探、軍事等領(lǐng)域，將發(fā)電裝置與太陽能、地熱、汽車尾氣余熱、工業(yè)廢熱等結(jié)合，回收熱能將其轉(zhuǎn)化為電能。其中，我國的西藏、新疆、甘肅等地的太陽能平均日輻射量達5.1～6.4 kWh/m2[8]，故太陽能溫差發(fā)電在新疆、西藏、甘肅等地區(qū)的應(yīng)用將產(chǎn)生極大的經(jīng)濟價值。

3 同位素溫差發(fā)電

3.1 同位素溫差發(fā)電原理

自然界中發(fā)生熱傳遞的方式有兩種：一是分子碰撞；二是熱輻射，即電磁輻射。由熱力學第二定律可知，自然界中物體的溫度不可能達到絕對零度，故物體必然向外界發(fā)出電磁輻射線，而物體的溫度越高，電磁輻射的強度也越強。

放射性同位素的化學性質(zhì)不穩(wěn)定，衰變過程中源源不斷地發(fā)出有熱能的射線，且釋放的能量比一般物質(zhì)釋放的能量高出很多數(shù)量級。根據(jù)塞貝克效應(yīng)，利用換能器(熱電偶)將放射性同位素在衰變時釋放的大量熱能轉(zhuǎn)化為電能，即放射性同位素溫差發(fā)電，又稱同位素電池或核電池。

同位素電池如圖5所示，一般呈圓柱形，放射性同位素衰變過程中釋放的熱量作為熱源置于圓柱體中心，外圍用熱電元件包裹；再外圍是換能器(換能器是放射性同位素電池的核心部件，目前常用換能器為靜態(tài)熱電換能器)，它的作用是將熱能轉(zhuǎn)換成電能；次外層是輻射屏蔽層，用于包裹放射性元素，防止射線泄露；最外層用合金外殼將其包裹，用于保護電池。只要熱源和換能器之間存在溫差便可發(fā)電，核電池的熱電轉(zhuǎn)換效率為10%～20%。

圖5 同位素溫差電池示意圖

3.2 同位素溫差發(fā)電的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

自1957年前蘇聯(lián)發(fā)射世界上第一顆衛(wèi)星以來，核電池便開始應(yīng)用到航天器上，航天器在夜晚等特殊環(huán)境工作時，核電池能為其提供穩(wěn)定、持久的動力，且裝置體積小、質(zhì)量輕。

我國從20世紀70年代開始研究同位素溫差發(fā)電器，最初由中國科學院研制出了以釙-210為熱源的核電池，2004年又開始研制“百毫瓦級钚-238同位素電池”，并在2006年完成了其總體設(shè)計與相關(guān)工藝研究，成功研制出了樣品。從釙-210核電池到钚-238核電池的研制成功，標志著我國在核能源領(lǐng)域的研究取得了重大突破，為繼續(xù)進行外太空探索、空間開發(fā)、核動力大型船只等在能源保障方面奠定了堅實的基礎(chǔ)。

在國外，前蘇聯(lián)從20世紀60年代末開始研制放射性同位素溫差電機，將同位素溫差發(fā)電機用于軍事衛(wèi)星、遠洋科研等，主要原料為釙-210，平均工作壽命長達10年以上。美國在1959年研制出了世界上第一個核電池，此后在1977年美國國家航空和宇航局(NASA)發(fā)射了航行者1號飛船，在該飛船上所有的電能由1200個溫差發(fā)電機提供，放射性元素钚-238的中子衰變?yōu)槠涮峁嵩碵9]。該熱發(fā)電系統(tǒng)已安全運行了35年，預(yù)計該核電池能持續(xù)運行到2025年。

核電池因具有可靠性強、性能穩(wěn)定、體積小、質(zhì)量輕、壽命長等特點，故也將其應(yīng)用于醫(yī)學，目前其已被制成小型心臟起搏器植入患者體內(nèi)，可持續(xù)、穩(wěn)定工作10年以上。

4 海洋溫差發(fā)電

4.1 海洋溫差發(fā)電原理

利用海洋表層的溫海水和深層的冷海水間存在的溫差進行發(fā)電的技術(shù)，稱為海洋溫差發(fā)電。通常透過大氣層到達海面的太陽光進入海面以下1 m時約70%的熱量被海水吸收，而水深200 m處的海水，幾乎沒有吸收太陽光的熱量。海洋溫差發(fā)電就是將海洋表面的吸收了近70%太陽光熱量的溫水送入被抽成真空的鍋爐里面，此時因鍋爐內(nèi)被抽成真空，壓力急劇下降，引進真空鍋爐的溫海水便立即汽化為蒸汽，然后利用這種溫海水汽化成的蒸汽推動汽輪發(fā)電機發(fā)電，最后用深層的冷海水使做功后的乏汽凝華，再次利用。在理論上冷、熱水之間的溫差高于16.6 ℃即可發(fā)電，而實際應(yīng)用中一般都高于20 ℃。海洋溫差發(fā)電有3種循環(huán)方式：開式循環(huán)、閉式循環(huán)和混式循環(huán)[10]。

海洋溫差發(fā)電開式循環(huán)中的閃蒸器作用是在真空環(huán)境下使溫海水汽化為蒸汽，推動汽輪機旋轉(zhuǎn)發(fā)電，凝汽器使驅(qū)動汽輪機做功后排出的蒸汽凝華為凝結(jié)水。海洋溫差發(fā)電開式循環(huán)流程圖如圖6所示。

圖6 海洋溫差發(fā)電開式循環(huán)示意圖

海洋溫差發(fā)電閉式循環(huán)中的閃蒸器、汽輪機、凝汽器的作用與開式循環(huán)的相同，其中工質(zhì)的作用是使溫海水蒸發(fā)成蒸汽，如低沸點的丙烷、氨等。海洋溫差發(fā)電閉式循環(huán)流程圖如圖7所示。

圖7 海洋溫差發(fā)電閉式循環(huán)示意圖

海洋溫差發(fā)電混式循環(huán)中的閃蒸器、汽輪機、凝汽器的作用與開式循環(huán)的相同，其中工質(zhì)的作用與閉式循環(huán)的相同，蒸發(fā)器的作用是使蒸汽中的晶體(如氯化鈉)析出。海洋溫差發(fā)電混式循環(huán)流程圖如圖8所示。

圖8 海洋溫差發(fā)電混式循環(huán)示意圖

4.2 海洋溫差發(fā)電的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

海洋面積占地球表面積的71%，海洋能極其豐富，而其中溫差能儲量高達3.15×1018kJ[11]。我國近海及毗鄰海域溫差能儲量高達1.08×1018～1.75×1018kJ，可裝機利用的為 5.4×1016～1.12 ×1017kJ，其中90%分布在南海[12]。

在國外，1926年法國人Claude G在古巴建成了世界上第一個陸基開式海洋溫差發(fā)電裝置。1979年8月，美國夏威夷島上建成了一個叫做“MINI-OTEC”的漂浮式海洋溫差發(fā)電站[13]，海洋溫差發(fā)電邁上了一個新臺階，因其為世界上第一個有凈功率輸出的海洋溫差發(fā)電裝置，凈功率達15 kW。1993年在夏威夷建成了210 kW的開式循環(huán)系統(tǒng)[14]，同時還能產(chǎn)生淡水。

在國內(nèi)，1986年中科院廣東研究所研制出開式溫差能轉(zhuǎn)化試驗?zāi)M裝置[15]。2004～2005年天津大學完成混合式海洋溫差能利用系統(tǒng)理論研究課題[16]。2012年我國第一個15 kW實用溫差能發(fā)電裝置建成[17]。據(jù)鳳凰網(wǎng)2013年4月16日報道，中國與美國洛克希德·馬丁公司簽署合同，將在我國海南省建設(shè)一座海洋溫差發(fā)電廠，裝機容量達10 MW[18]。這將使海洋溫差發(fā)電進入商業(yè)化時代。

海洋溫差發(fā)電最適用于海洋能豐富的環(huán)境，我國擁有長達1.8萬km的大陸海岸線，應(yīng)用海洋溫差發(fā)電不僅可給周邊的地區(qū)供應(yīng)電力資源，而且在發(fā)電過程中可副產(chǎn)淡水資源，為沿海地區(qū)的人們生活所用。

5 結(jié)語

溫差發(fā)電最關(guān)鍵的問題之一是解決溫差，綜合考慮環(huán)境和利用塞貝克效應(yīng)溫差發(fā)電的特性，通過改變組件數(shù)量、增大溫差或提供持久的有效溫差來提高熱電轉(zhuǎn)換效率。與分頻型發(fā)電系統(tǒng)相比，后者發(fā)電效率、資源利用率更高，設(shè)備損壞率更低。海洋中儲存的溫差能極其豐富，因此海洋溫差發(fā)電具有極大的開發(fā)利用價值。溫差發(fā)電的眾多優(yōu)點使其在保持社會可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境保護中具有突出效果，故溫差發(fā)電在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用前景也將不可估量。

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