溫差半導體發電技術研究現狀

塔里木大學現代農業工程重點實驗室 陳宏濤肖愛玲

塔里木大學機械電氣化工程學院

溫差半導體發電技術研究現狀

塔里木大學現代農業工程重點實驗室 陳宏濤肖愛玲

塔里木大學機械電氣化工程學院

溫差半導體發電技術是一種新型的綠色環保的發電技術，能有效減緩當今社會在能源方面的壓力。近些年以來，在國內外眾多研究者的努力下，溫差發電技術取得了很大的進步。最初，由于研究者對熱電材料的認識不足，且僅限于金屬熱電材料，因此熱電轉換效率比較低下。到了20世紀30年代，由于研究者對半導體金屬材料的研究深入，推動了溫差半導體發電技術的極大進步。再后來，Douglas等設計出了多模塊交互回路溫差發電器，使得溫差半導體的輸出功率得到了更大幅度的提升。如今，溫差半導體發電技術已經在實際的生活中廣泛應用開來，受到了越來越多國家的重視。本文主要介紹了目前國內外在溫差發電技術上的一些研究成果以及在各個領域的應用和發展方向。

溫差半導體；溫差發電類型；研究現狀；應用

0 引言

21世紀全球能源壓力日益加重，各國都在積極尋求新能源來減緩國內所面臨的能源壓力，目前而言，世界各國主要的發電方式包括火力發電、水力發電、風力發電、太陽能發電以及日益增多的核電站等，電力是一個國家的重中之重。對于我國而言，由于人口眾多，發展迅速，能源需求比較旺盛，但是目前我國主要的發電方式仍是火力發電和水力發電。對于火力發電而言，其主要利用的是煤炭作為燃料進行發電，能源消耗較大，并且煤炭燃燒所產生的廢氣對于環境的污染危害也比較大。因此，發展其他可替代的新型發電方式顯得尤為重要。

而溫差發電技術，從原理上而言，在發電過程中并不會對環境產生污染，通過借助現有的實際條件進行發電，符合綠色無污染、可持續發展的特點。因而大力發展溫差半導體發電技術很有意義，也很有必要。

1 溫差半導體發電技術

溫差發電是一種綠色環保無污染的發電方式，其具有發電結構簡單耐用，無傳統發電機運轉所帶來的噪聲，以及使用壽命長的優點。

對于溫差半導體發電技術而言，其工作原理可以簡述為：通過在2塊不同性質的半導體兩端設置一個溫差，這樣在半導體的兩端就產生了直流電壓。其中溫差半導體發電技術的原理主要來源于塞貝克(Seebeck)效應,該效應的解釋為：在P型或者N型半導體中,由于熱激發的作用比較強,會導致高溫端的空穴濃度或者電子濃度比低溫端的大,這個跟PN結的特性有關，溫度會對PN結的性能產生很大影響。因而在這種濃度梯度的驅動下,空穴或者電子就會由于熱擴散的影響,從高溫的一端向低溫的一端擴散,從而形成一種電勢差,這就是塞貝克效應，其原理如圖1所示[1]。

圖1 溫差發電（Seebeck)效應原理圖

因此如果我們將P型和N型半導體的熱端進行相連,則在冷端便會得到一個電壓,進而轉換成電能,很顯而易見，這是一種新型的綠色發電技術。因此如果我們將很多個這樣PN結串連起來以后,就可得到足夠高的電壓,成為一個溫差發電器[2]。由于這樣的溫差發電機并不像傳統的電磁發電機一樣，并沒有轉動部分,在使用過程中也比較可靠，因此在實際中得到越來越廣泛的應用。

2 溫差半導體發電技術的發展

溫差發電技術，自從被發現到現在的廣泛應用已經經歷了很長的時間。在1821年，Seebeck發現塞貝克效應以來，該效應便為后來的技術發展奠定了理論的基礎。在其后很長的一段時間里，由于人們對溫差熱電材料的認識僅僅局限于金屬材料，又因為金屬材料的塞貝克系數都較低，對應的熱電轉換效率還不到0.6%[3]，所以在實際的應用中，溫差發電技術一直都未能取得很大進展。一直到了20世紀30年代，半導體技術的研究才取得了非常迅猛的發展，研究者發現半導體熱電材料的塞貝克系數可提髙至約100V/K[4]，極大地推動了溫差半導體發電技術的進步。

到了20世紀50年代的末期，蘇聯著名的半導體學家Loffe院士提出了2種或2種以上的半導體形成的固溶體，能使熱電轉換效應產生數量級的提升[5],這項研究成果為后來的研究者們描繪了新型熱電材料的研究前景。再后來，Douglas等特別針對熱源動態變化的情況，設計出了多模塊交互回路溫差發電器，其在相同的熱源下，輸出功率最大可提高到25%[6]。

如今，國外溫差發電技術已經逐步應用在實際當中，并且與我國在這方面也有了一定的合作，在2013年的時候，一家美國軍工企業在北京與國內一家能源公司簽訂了海水溫差發電合同，該發電設施建造在我國南方沿海地區。其海水溫差發電系統的示意圖如圖2和圖3所示。

其中圖2所示的為封閉式海水溫差發電系統的示意圖，即隨著海水深度的變化，由于表層海水受到陽光的照射，吸收能量而使得溫度逐漸升高。由于在海平面200 m以下，海水深度比較深，陽光幾乎是無法到達的，因此溫度又較低。進行海水溫差發電時，需抽取表層溫度較高的海水，使熱交換機內的低沸點液體〈例如氨〉沸騰為蒸氣，然后推動發電機發電，再將其導入另一熱交換機，使用深層海水將其冷卻，如此完成一個循環。

圖3所示的為開放式溫差發電系統的示意圖，即通過將表層海水引入真空狀態的蒸發槽中，因低壓下，水的沸點極低而沸騰為水蒸氣，再引至凝結槽，以深層海水使之凝結為水。在此過程中會在蒸發槽與凝結槽之間因壓力差而形成蒸汽流，在其間加上渦輪機即可發電。另外，使用開放式循環系統發電會在凝結槽中形成淡水，可供使用。由于排出的為淡水，這也是它的有利之處。

圖2 封閉式海水溫差發電系統示意圖

圖3 開放式溫差發電系統示意圖

國內對于溫差半導體發電技術的研究起步相對較晚，且主要集中于對溫差發電材料方面的研究。過去幾十年里，在國內眾多研究者的努力下，取得了一定的成績。其中陳金燦課題組從20世紀80年代就開始對溫差發電器的基礎理論（塞貝克效應）進行研究，其后來又對溫差發電器的性能進行了優化分析：通過在一定數學表達式的基礎上，研究溫差發電器結構參數與不可逆行對半導體溫差發電器的性能影響，探討了給定熱源溫度熱電器輸出功率的最佳優化條件，即為了使半導體發電器獲得最大的功率輸出，負載電阻是不可以隨意選擇的，取得了很多有意義的成果[7]。

再后來以趙新兵為首的浙江大學的課題組對－FeSi2、Bi2Te3、Zn4Sb3等熱電材料行了研究，并且首次采用了快速凝固法制備了－FeSi2，還研究了多種熱電材料的摻雜特性，其研究水平也已處于國際前列[8-14]。最后以王為和、張建中為首的天津大學課題組則對微加工進行了深入的研究，提出了熱電材料加工的一維納米線陣列結構[15]，即通過將溫差材料制成二維納米薄膜或一維納米線，可大幅提高材料的ZT值（無量綱優值，Z為優值，T為溫度），因為研究發現，通過降低維數可降低熱導率，提高ZT值，進而提高塞貝克系數，提高溫差發電的發電效率。

總體來說，我國在微型半導體溫差發電技術方面還不是很成熟，大范圍的應用還沒有實行，但對于小型的溫差發電裝置，市場上已經有了成品，并且大部分成品都是半導體溫差發電片所構成，具有一定的實用性，如圖4所示的市場上所銷售的溫差半導體發電片。

目前國際上已開始將溫差發電推向了工業應用的階段。

圖4 市場上所售的溫差半導體發電片

3 溫差半導體發電技術的應用

溫差發電作為一種新型的綠色發電技術，在科學技術日益發展的今天，以及各國能源需求旺盛，生態環境惡劣的情況下，溫差發電技術在很多的領域都有應用。

在航空航天方面，正如我們所知道的，航天器常用的供能方式是通過太陽能供電,但這種方式往往只適用于航天器工作在有一定的太陽輻射量的空間中,具有其局限性。因此在太陽能電板無法發揮作用時,同位素溫差發電器(RTG,Radio-isotopeThermoelectricgenerator)便成為首選的最佳替代動力源[16]。而我國第一個钚-238同位素電池也已在中國原子能科學研究院誕生了，同位素電池的研制成功填補了我國長期以來在該研究領域的空白，標志著我國在核電源系統研究上邁出了重要的一步。

在社會應用方面，汽車發動機排氣所帶走的熱量占到所消耗的燃料產生熱量的40%[17],殘余的廢氣的溫度約在800℃左右,因此我們可以利用溫差半導體發電技術回收尾氣的余熱來進行發電。如圖5所示[18]，是以李啟明為首的團隊所研究的尾氣余熱發電裝置。

圖（a）是該裝置的原理示意圖，是由2個吸熱氣箱和3個冷卻水箱相互層疊而成，其中2個氣箱的進出口分別通過一個三通連接成為一個整體，冷卻水箱的進出口則分別通過一個四通連接為一個整體。吸熱氣箱和冷水水箱之間夾裝熱電片組，共4層熱電片組。工作的時候，來流尾氣經三通后一分為二進入上下2個氣箱，出口再經一個三通匯聚成一股排出，而來流冷卻水則經過四通后一分為三，分別接入上、中、下3個冷卻水箱，出口也是匯成一股返回。尾氣與冷卻水屬逆流形式，有利于整個系統的熱量傳輸以及沿程熱電片溫度的均勻化；圖(c）是實驗中所測試的皮卡車，其型號為薩普V系列2.0L排量，其發動機型號為4Q20M，該發動機在2 000～4 500 rpm時可產生95 kW的功率。

圖5 回收汽車尾氣余熱溫差發電裝置

在最終實際的道路測試過程中，該發電模塊的峰值功率可達300 W[19]，可在一定程度上滿足車輛正常行駛所需的電力。通過尾氣溫差發電裝置，能夠提高能源的利用率，具有很大的實際意義。

在個人生活方面，有一種已經商品化的新型手表,如圖6[20]所示的那樣，它能僅僅利用人體所提供的熱量來作為其電源,利用熱電微器件的發電系統將熱能轉換為電能[21],當手表被戴在人的手腕上經過一段時間穩定后,安裝在手表內部的微型發電元件的冷端面的溫度約為29℃,熱端面的溫度約為30℃,在手表的接觸面積上,人體能提供的熱量大約為50 mW,在經過轉換后，也能得到25 mW的電能。

由上可知，溫差發電技術可以靈活利用各種不同形式的熱能,適用于太陽能、地熱能、海洋溫差、余熱的節能利用,是很有潛力的節能和發電途徑,具有廣闊的應用前景。因而我國應優先發展該研究方向,以提高能源的利用水平和效率，減輕其他不可再生能源方面的能源壓力。

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塔里木大學大學生創新創業訓練計劃（國家級）項目（201610757050）

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