热电材料及其在温差发电方面的应用

图1 热电材料工作原理图

热电材料是一种通过固体中的载流子运动实现热能和电能之间直接转换的功能材料。热电材料器件的基本单元由一对p-型和n-型热电材料串联构成。当p-n对的两端温度不同时，如图1(a)所示，将在回路中产生电流，从而实现“温差发电”。而当直流电通过p-n对时，如图1(b)所示，将在一端吸热，在另一端放热，从而实现“半导体制冷”。热电材料主要应用于：①温差发电，②半导体制冷，③各类传感器。
热电材料的能量转换过程属于固体材料内部载流子运动导致的“固体能量转换”，因此具有无机械运动、无噪声、无磨损、可靠性高、免维护、不需要化学介质、无污染等突出优点。
热电材料在温差发电方面的应用主要包括：工业余热发电、特殊场合长寿命电源、便携式小型电源、植入式微型电源等。
1、工业余热发电
人类消耗的能量中，绝大部分未利用的能量是以余热废热形式排放的。根据美国能源部的统计（图2），美国每年消耗各种能源约97 Quads（相当于35亿吨标准煤），其中除了少量石油用作化工原料以外，绝大部分用于发电、工业和运输业。在这些实用的能量中，实际利用的不到40%，而有超过60%的能量被浪费掉。考虑到工业余热废热的巨大容量（这在可预见将来并不会显著改变），采用热电材料制造的温差发电装置，利用废热发电将具有广阔的前景。

图2 美国能量分配图（单位：1015 Btu）

从经济成本看，温差发电器件成本与硅基太阳能电池相当。但热电材料温差发电具有“实时、原位、稳定”供电的特征，在系统维护、电力储存、传输调制等方面与太阳能发电相比，具有显著优点。工业余热发电的主要应用领域包括：
(1) 汽车发动机余热发电。美国通用汽车、日本丰田汽车已开始这方面的研发，德国宝马汽车已在530系列汽车上进行原型试验（图3）。据估算，一辆中高档轿车正常运行时，可利用排气管废热发电1千瓦（远期目标可达5千瓦或更高）。

图3 BMW530i汽车排气管温差发电装置示意图与原型试验显示屏

(2) 高温工业窑炉余热发电。主要利用钢铁、有色金属、玻璃、水泥、陶瓷等耗能工业窑炉以及发电厂等锅炉排放的150~250C低品位余热发电。这部分低温余热难以采用常规技术发电，热电材料温差发电技术可以填补这方面的技术空白。图2是浙江大学赵新兵等人提出的利用高温炉烟道余热发电的内冷式温差发电系统原理图及模拟器件原型。它利用烟道余热和循环水冷片之间的温差（约100~150C）发电，可模块化生产，现场组装。

图2 高温炉烟道余热内冷式热温差发电系统原理图及模拟器件原型

2、特殊场合长寿命电源
在这个应用领域，最主要的实际应用例子是以放射性同位素作为热源的温差发电装置（Radioisotope Thermoelectric Generators，简称RTG）。美国NASA从Apollo飞船开始，至Pioneer、Voyager、Galileo和Ulysses，已在20余个航天器上使用RTG作为电源。在俄罗斯，有1000余个RTG装置用于靠近北极圈的无人看守免维护海洋灯塔。这些RTG装置具有免维护运行20年以上的寿命。

图4 炉灶温差发电装置

3、便携式小型电源
利用煤、油、天然气、木材等燃烧热以及取暖炉、烹饪炉等余热作为热源的温差发电装置可以作为便携式小型电源，为野外作业、游牧民族提供电源。其优点是可以利用来源广泛的热源发电，减少蓄电池携带量。此外，这种技术还可以用于制造旅行用便携式应急电源。国外已有可随身携带的小型温差发电器，利用燃烧热、宾馆取暖片等热源发电，用于为便携式电子设备（手机、笔记本电脑等）充电。图4是安装在普通炉灶底部的温差发电装置，利用炉膛底部废热发电，已在欧洲应用。主要为外出郊游、旅游者提供辅助电力。

 

图5 植入式微型电源

4、植入式微型电源
德国某研究机构开发了与传感器集成的微型温差发电器（图5）。其中左图是整个集成器件的外形，内部安装了各种传感器、数据处理芯片、无线传输器件。在图5的右图所示的内部结构中，位于中间的是一个微型温差发电器。它可利用装置和环境之间的微小温差发电，为装置中的其他电子设备提供电源。