溫差發(fā)電專利技術(shù)分析及發(fā)展預(yù)測(cè)

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心 肖竹欣

1 概述

溫差發(fā)電是一種全固態(tài)、無需化學(xué)反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換方式，是繼太陽(yáng)能、風(fēng)能之后又一種新能源利用方式，備受世界各國(guó)關(guān)注[1-3]。其工作原理簡(jiǎn)述為：將兩種不同類型的熱電材料一端相連形成一個(gè)PN結(jié)，置于熱源附近，另一端形成冷端，由于熱激發(fā)作用，P（N）型材料熱端空穴（電子）濃度高于冷端，因此在這種濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子就開始向冷端擴(kuò)散，從而形成電動(dòng)勢(shì)，單獨(dú)的一個(gè)PN結(jié)可形成的電動(dòng)勢(shì)很小，而如果將很多這樣的PN結(jié)串聯(lián)起來就可以得到足夠成為一個(gè)溫差發(fā)電器。

2 專利申請(qǐng)現(xiàn)狀分析

本文通過比較準(zhǔn)確的關(guān)鍵詞，在相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)全球范圍內(nèi)專利申請(qǐng)進(jìn)行了檢索，并對(duì)全球?qū)＠暾?qǐng)數(shù)據(jù)和中國(guó)專利申請(qǐng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，共涉及2492件專利申請(qǐng)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)公開日截止到2017年4月。

2.1 全球?qū)＠暾?qǐng)量的年分布

專利年度申請(qǐng)量趨勢(shì)能夠在一定程度上反映技術(shù)受關(guān)注的程度及技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，從年分布來看，專利申請(qǐng)量基本上總體呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)，1998年以前年均申請(qǐng)量均小于10件，從2008年開始，隨著熱電材料性能提高、冷端散熱方式增多以及應(yīng)用領(lǐng)域更加全面，溫差發(fā)電技術(shù)的能源需求也越來越高，因此專利申請(qǐng)量也快速增長(zhǎng)，并且從2009年開始年均申請(qǐng)量均超過100件。

2.2 全球主要申請(qǐng)人的區(qū)域

主要申請(qǐng)國(guó)家（地區(qū)）分布能夠反映該國(guó)（地區(qū)）對(duì)技術(shù)的關(guān)注和研究程度。申請(qǐng)量最多的國(guó)家為中國(guó)，專利申請(qǐng)量為1232件，其次是日本、德國(guó)、韓國(guó)、美國(guó)，從中可以看出，雖然國(guó)內(nèi)在溫差發(fā)電方面的研究起步相對(duì)較晚，但各企業(yè)、科研單位及個(gè)人對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)的研究和應(yīng)用前景比較看好，專利申請(qǐng)量增多。

從主要申請(qǐng)人及其申請(qǐng)量來看，日本豐田汽車公司專利申請(qǐng)排名第一，其次是日本的東芝、松下電器公司，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)中浙江大學(xué)專利申請(qǐng)量較多，對(duì)比主要申請(qǐng)國(guó)家（地區(qū)）分布得出，日本申請(qǐng)主要集中在公司申請(qǐng)，表明半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的推動(dòng)作用。

2.3 國(guó)內(nèi)相關(guān)專利申請(qǐng)分布

我國(guó)專利制度起步較晚，2000年前關(guān)于半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)的國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)幾乎沒有，國(guó)內(nèi)專利年度申請(qǐng)量總體呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)，2008年以前國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)量較少，2014－2016年處于飛速增長(zhǎng)的階段，表面半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在此期間取得較大的進(jìn)展，尤其伴隨著全球汽車產(chǎn)量不斷提高、工業(yè)生產(chǎn)的消耗和排放，使得對(duì)無環(huán)境污染的新型能源使用方式的研究加大，專利申請(qǐng)?jiān)龆唷?/p>

國(guó)內(nèi)申請(qǐng)以高校為主，且有相當(dāng)數(shù)量的個(gè)人申請(qǐng)，浙江大學(xué)專利申請(qǐng)量排名第一，天津大學(xué)、武漢理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、安徽工業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)等專利申請(qǐng)量也較多，表明國(guó)內(nèi)各高效重視對(duì)于半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)的科研研發(fā)，但目前還未形成規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)鏈，專利應(yīng)用于公司產(chǎn)品較少；此外，韓國(guó)的現(xiàn)代汽車公司等汽車行業(yè)的公司在半導(dǎo)體溫差技術(shù)領(lǐng)域也有相當(dāng)數(shù)量的專利申請(qǐng)。

3 專利技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在低品位能源利用上的優(yōu)勢(shì)，使其得到廣泛關(guān)注，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣，但是溫差發(fā)電器存在發(fā)電效率低、溫差熱電組件使用壽命短、可靠性不高等問題，對(duì)于發(fā)電效率而言，目前溫差發(fā)電效率一般為5%-7%，遠(yuǎn)低于火力發(fā)電的40%，最主要的原因是熱電材料性能不不理想，另一方面是發(fā)電器的匹配問題；對(duì)于可靠性問題，溫差發(fā)電器要達(dá)到較高的發(fā)電效率通常要求發(fā)電組件冷熱端之間形成較大溫差，這將造成冷端連接片收縮或熱端連接片膨脹，從而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，且環(huán)境因素如濕氣和高溫也會(huì)加速器件的損壞。針對(duì)這些技術(shù)問題，研究學(xué)者目前主要集中在熱電材料性能提升、冷端和熱端溫差維持、應(yīng)用領(lǐng)域三個(gè)分支，以下分別對(duì)這幾個(gè)方面的專利技術(shù)進(jìn)行分析。

3.1 熱電材料性能提升

熱電材料作為熱電器件的核心部分，性能的好壞直接決定器件效能的優(yōu)劣。優(yōu)值ZT是衡量熱電材料性能最重要的參數(shù)，ZT值越高，材料的熱電性能越好，能量轉(zhuǎn)換效率熱高，而為了提高該優(yōu)值，熱電材料應(yīng)該以滿足：1）增大塞貝克（或熱電勢(shì)）系數(shù)；2）減小電阻率；3）減小熱導(dǎo)率的方式形成。為此，研究學(xué)者積極尋找和開發(fā)具有較高優(yōu)值ZT的新型熱電材料，研究方向主要有：鈷基氧化物熱電材料、超晶格薄膜熱電材料、準(zhǔn)晶體材料、納米熱電材料以及多化合物復(fù)合型熱電材料。公開號(hào)為US2005076944A1的專利申請(qǐng)中公開了一種含銀熱電化合物，其設(shè)計(jì)了一種通式為Ag1-xMmM’Q2+md的熱電材料，這種材料能夠通過摻雜有選擇的雜質(zhì)，以制備具有所期望熱電性能（如提高的塞貝克系數(shù)和優(yōu)值ZT）的P-型和N-型半導(dǎo)體；JP2011049538中公開了一種鋁-鎂-硅復(fù)合的熱電轉(zhuǎn)換材料，其具有較高電導(dǎo)率，從而能夠獲得優(yōu)異的熱電轉(zhuǎn)換特性；CN101921928A中公開了一種具有填充方鈷礦晶體結(jié)構(gòu)的熱電材料，其具有較低晶格熱導(dǎo)率，從而能過獲得較高的優(yōu)值。

3.2 冷端和熱端溫差維持

溫差發(fā)電器的輸出功率和發(fā)電效率與熱端、冷端的溫度差、溫差發(fā)電回路電流、負(fù)載電阻等密切相關(guān)，為了保持較高的溫差，往往需要維持熱端高溫，同時(shí)在發(fā)電器低溫端增加散熱裝置，以使熱量及時(shí)散失，因此溫差發(fā)電器的冷端散熱方式也是影響發(fā)電器性能的重要因素，目前主要的散熱方式有風(fēng)冷、液冷和相變散熱。公開號(hào)為CN105932962A的發(fā)明專利申請(qǐng)中公開了一種太陽(yáng)能發(fā)電和溫差發(fā)電有效結(jié)合的發(fā)電系統(tǒng)，溫差發(fā)電裝置的冷端采用水箱冷卻散熱，水箱的水來源于地下水，且溫差發(fā)電裝置能夠根據(jù)冷端和熱端之間的溫度差選擇不同深度的地下水作為冷源使用，以此獲得更大的發(fā)電功率；JP2005137159A中公開了一種風(fēng)冷式熱電發(fā)電裝置，其采用銅或者鋁制作的散熱翅片進(jìn)行散熱，在熱端和冷端均設(shè)置有熱傳導(dǎo)材料，同時(shí)在散熱翅片頂部安裝有風(fēng)扇用于強(qiáng)制風(fēng)冷，可有效地提高散熱器的對(duì)流換熱系數(shù)，減小散熱面積，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)。

3.3 應(yīng)用領(lǐng)域

由于受到熱電轉(zhuǎn)換效率低和溫差發(fā)電器件制作成本高的制約，溫差發(fā)電技術(shù)長(zhǎng)期以來主要應(yīng)用于航天和軍事等尖端領(lǐng)域，而在民用方面較少。近年來，隨著高優(yōu)值、高性能熱電材料的開發(fā)成功，溫差發(fā)電技術(shù)在工業(yè)和民用產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能，同時(shí)，日漸突出的能源與環(huán)境問題促使研究學(xué)者加大了利用溫差發(fā)電回收利用低品位熱源方面的研究力度，這些研究領(lǐng)域主要有汽車尾氣利用、工業(yè)余熱廢熱發(fā)電、自然熱應(yīng)用、MEMS系統(tǒng)或器件以及可穿戴設(shè)備等其它應(yīng)用領(lǐng)域。KR1327732B1的專利中公開了一種車輛的熱電發(fā)電機(jī)，其安裝于車輛的排氣系統(tǒng)中，使用汽車廢氣的熱量來產(chǎn)生電力，其中，熱電模塊被設(shè)計(jì)為環(huán)形狀，當(dāng)高溫廢氣經(jīng)過排氣管時(shí)，排氣管通過與廢氣的熱交換過程而被加熱，并將熱量傳導(dǎo)到排氣管外圍設(shè)置的環(huán)形狀熱電模塊的熱端，同時(shí)，熱電模塊的冷端設(shè)置有冷卻劑管，從而在冷、熱端之間形成溫差而發(fā)電；CN204068767A公開了一種穿戴式溫差發(fā)電裝置，其在衣物的夾層中設(shè)置安裝帶，各安裝帶相互平行縫制于衣物的夾層中，安裝帶上固定有防水封裝帶，每個(gè)防水封裝帶中均密封安裝有溫差發(fā)電組，各溫差發(fā)電組依次串聯(lián)后通過導(dǎo)線連接充電單元。該發(fā)電裝置以日常穿著為載體，利用人體散發(fā)的熱能這一新型、綠色、環(huán)保能源發(fā)電，因此可隨時(shí)隨地發(fā)電，且清洗時(shí)無需拆卸溫差發(fā)電組，使用方便、體積小、重量輕，發(fā)電效果好。

4 未來趨勢(shì)預(yù)測(cè)

目前，基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)日趨完善，關(guān)于熱電材料性能提升、冷端和熱端溫差維持、應(yīng)用領(lǐng)域這三個(gè)分支的核心技術(shù)已經(jīng)成熟。盡管溫差發(fā)電的效率仍然還普遍較低，但隨著新型高性能熱電材料以及性能可靠的溫差發(fā)電器的研究與開發(fā)，溫差發(fā)電技術(shù)將會(huì)更大地發(fā)揮其在低品位能源利用方面的優(yōu)勢(shì)。未來主要發(fā)展方向多為進(jìn)一步提高發(fā)電效率、提高裝置的可靠性以及降低成本等。因此，未來發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)將有以下三點(diǎn)：

（1）新型熱電材料。溫差發(fā)電效率較低的問題還是需要首先從熱電材料的性能提升上來突破。而摻雜、低維化、超晶格結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)以及納米技術(shù)等均能有效提高熱電優(yōu)值，因而將會(huì)繼續(xù)成為研究方向。

（2）可靠性研究。溫差發(fā)電技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用都日益廣泛，如何更加有效、可靠地滿足長(zhǎng)期供能需求，降低環(huán)境因素影響，以及尋求更加穩(wěn)定的熱源和冷源，將是溫差發(fā)電技術(shù)中需要解決的問題。

（3）復(fù)合型能量采集技術(shù)。隨著機(jī)械振動(dòng)摩擦發(fā)電、壓電發(fā)電，電磁感應(yīng)發(fā)電等領(lǐng)域的發(fā)展，復(fù)合型能量采集研究也將受到更多關(guān)注，但是目前復(fù)合型能量采集多以簡(jiǎn)單疊加為主，如何在同一環(huán)境下實(shí)現(xiàn)多種發(fā)電模式之間的相互配合，提高能量利用效率，未來還需要進(jìn)一步研究。

[1]趙建云,朱冬生．溫差發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀[J]．電源技術(shù),2010,34(3)∶310-313．

[2]半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)應(yīng)用及研究綜述[J]．電源技術(shù),2016,140(8)∶1737-1740．

[3]MASAHIDE M,MICHIO M,MASARU O．Thermoelectric generator utilizing automobile engine exhaust gas[J]．Thermal Science and Engineering,2001,9(2)∶17-18．