淺談溫差發電

■ 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，備受世界各國的關注。溫差發電不受天氣影響，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換率不高。目前溫差發電技術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換率；二是研究更加優化的工藝，即增大或提供持續穩定的溫差，如太陽聚光集熱裝置[1]。

1 溫差發電基本概念

從1821年塞貝克在實驗中發現溫差發電至今，已有半導體溫差發電、太陽能溫差發電、同位素溫差發電、海洋溫差發電等溫差發電形式[2]。其中，前3者的基本原理都是塞貝克效應，而海洋溫差發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發電，再用冷海水將乏汽冷凝，循環利用。

用塞貝克效應可實現熱能與電能的轉換，即在兩種不同材料的半導體構成的回路中，當一端處于高溫狀態，另一端處于低溫狀態時，回路中便可產生電動勢[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(不同材料的塞貝克系數不同)。

圖1 溫差發電原理圖

表1 常見半導體材料的塞貝克系數

常見半導體材料的塞貝克系數[5]如表1所示。從表1數據可知，不同材料的塞貝克系數不同，相同材料作為不同類型的半導體時塞貝克系數也不同。

2 半導體溫差發電

2.1 半導體溫差發電原理

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

圖2 半導體溫差發電示意圖

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

圖3 太陽能溫差發電示意圖

由表2可見，半導體溫差發電機，在相同組件條件下，溫差越大輸出功率越大；在相同溫差環境下，組件數越少輸出功率越大，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電示意圖

表2 集熱式太陽能溫差發電裝置實驗數據

針對單一的太陽能溫差發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-光電復合型發電和分頻型發電系統。其中分頻型發電系統根據溫差發電及光伏發電的特點，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電，不僅提高了太陽光利用率，而且降低了用于光伏發電的光因電池溫度升高對發電效率的影響，優于復合型發電系統。實驗結果表明，分頻型系統發電效率隨聚光比的增大而增大[6]。

2.2 半導體溫差發電的研究和應用現狀

半導體溫差發電技術的研究起源于20世紀40年代，最先由前蘇聯研制成功，其發電效率僅為1.5%～2%；到20世紀60年代其研究達到一個高峰，隨后半導體溫差發電成功應用到航天和軍事等領域。進入21世紀后，因半導體溫差發電是一種對環境無污染、可持續的全固態形式的熱電轉化技術，民用半導體溫差發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電機，其可形成247 ℃的溫差，效率達3.35%。2004年泰國學者設計出一種用銅板做集熱器的太陽能溫差發電屋頂，可產生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通過熱力學分析預測了使用新型溫差發電材料n型ErAs:(InGaAs)1-x(InAlAs)x和p型(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電模塊結合得到太陽能驅動半導體溫差發電設備。張清杰與新野正之提出了太陽能熱電-光電復合發電技術。曾葆青等通過聚光集熱器、溫差發電器等組裝了一套集熱式太陽能溫差發電裝置。 Yang T Q等建立了基于高性能熱電材料的發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電器的設計進行了研究，得出基于熱電材料Bi2Te3、方鈷礦和AgSbPbTe合金的發電裝置，效率分別為9.8%、13.5%和14.1%[7]。

半導體溫差發電目前主要用于勘探、軍事等領域，將發電裝置與太陽能、地熱、汽車尾氣余熱、工業廢熱等結合，回收熱能將其轉化為電能。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]，故太陽能溫差發電在新疆、西藏、甘肅等地區的應用將產生極大的經濟價值。

3 同位素溫差發電

3.1 同位素溫差發電原理

自然界中發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不穩定，衰變過程中源源不斷地發出有熱能的射線，且釋放的能量比一般物質釋放的能量高出很多數量級。根據塞貝克效應，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化為電能，即放射性同位素溫差發電，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熱電換能器)，它的作用是將熱能轉換成電能；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電，核電池的熱電轉換效率為10%～20%。

圖5 同位素溫差電池示意圖

3.2 同位素溫差發電的研究和應用現狀

自1957年前蘇聯發射世界上第一顆衛星以來，核電池便開始應用到航天器上，航天器在夜晚等特殊環境工作時，核電池能為其提供穩定、持久的動力，且裝置體積小、質量輕。

我國從20世紀70年代開始研究同位素溫差發電器，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年完成了其總體設計與相關工藝研究，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域的研究取得了重大突破，為繼續進行外太空探索、空間開發、核動力大型船只等在能源保障方面奠定了堅實的基礎。

在國外，前蘇聯從20世紀60年代末開始研制放射性同位素溫差電機，將同位素溫差發電機用于軍事衛星、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個溫差發電機提供，放射性元素钚-238的中子衰變為其提供熱源[9]。該熱發電系統已安全運行了35年，預計該核電池能持續運行到2025年。

核電池因具有可靠性強、性能穩定、體積小、質量輕、壽命長等特點，故也將其應用于醫學，目前其已被制成小型心臟起搏器植入患者體內，可持續、穩定工作10年以上。

4 海洋溫差發電

4.1 海洋溫差發電原理

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電的技術，稱為海洋溫差發電。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電機發電，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 ℃即可發電，而實際應用中一般都高于20 ℃。海洋溫差發電有3種循環方式：開式循環、閉式循環和混式循環[10]。

海洋溫差發電開式循環中的閃蒸器作用是在真空環境下使溫海水汽化為蒸汽，推動汽輪機旋轉發電，凝汽器使驅動汽輪機做功后排出的蒸汽凝華為凝結水。海洋溫差發電開式循環流程圖如圖6所示。

圖6 海洋溫差發電開式循環示意圖

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

圖7 海洋溫差發電閉式循環示意圖

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

圖8 海洋溫差發電混式循環示意圖

4.2 海洋溫差發電的研究和應用現狀

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電站[13]，海洋溫差發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的開式循環系統[14]，同時還能產生淡水。

在國內，1986年中科院廣東研究所研制出開式溫差能轉化試驗模擬裝置[15]。2004～2005年天津大學完成混合式海洋溫差能利用系統理論研究課題[16]。2012年我國第一個15 kW實用溫差能發電裝置建成[17]。據鳳凰網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一座海洋溫差發電廠，裝機容量達10 MW[18]。這將使海洋溫差發電進入商業化時代。

海洋溫差發電最適用于海洋能豐富的環境，我國擁有長達1.8萬km的大陸海岸線，應用海洋溫差發電不僅可給周邊的地區供應電力資源，而且在發電過程中可副產淡水資源，為沿海地區的人們生活所用。

5 結語

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

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