半導體溫差發電技術應用及研究綜述

晏維，邱國躍，袁旭峰,2

(1.貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽550025；2.貴州電網公司博士后工作站，貴州貴陽550002)

半導體溫差發電技術應用及研究綜述

晏維1，邱國躍1，袁旭峰1,2

(1.貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽550025；2.貴州電網公司博士后工作站，貴州貴陽550002)

半導體溫差發電直接將熱能轉換為電能，具有無污染、結構緊湊、無旋轉部件、無噪聲、免維護等優點，是一種新型的節能環保發電技術，可將地熱能、太陽能、工業及生活余熱廢熱、汽車尾氣廢熱等低品位熱能轉化為電能，提高能源利用率。介紹了半導體溫差發電的原理、應用領域及研究狀況，總結了半導體溫差發電技術存在的問題，分析了提高半導體溫差發電效率的關鍵技術及未來的研究方向。

溫差發電；余熱回收；發電效率；半導體

隨著世界經濟增長，電力需求越來越大，能源短缺問題也日漸突出，人們逐漸將目光投向風能、太陽能等新能源，希望改變現有的能源結構，實現可持續發展。然而在現有的能源系統中，超過50%以上的能量都是以廢熱的形式散失到周圍環境中。隨著我國工業化的高速發展，每天都產生大量的工業廢熱和余熱，直接將這些廢熱排向大氣，不僅嚴重污染環境，造成溫室效應，引起酸雨等自然災害，還造成能源的極大浪費。美國能源部的一個報告指出，每年美國工業產生的廢熱相當于500萬美國人一年的能源消耗量，全球每年都要耗費上百億美元來處理廢熱余熱[1]。我國具有相當豐富的廢熱蘊藏量，其中地熱蘊藏量近4.4×1030J，折合成電量為6.74 GW，相當于我國3年所需的電量[2]。半導體溫差發電直接將熱能轉化為電能，不僅能有效利用自然界中的地熱能、海洋熱能、太陽能等非污染能源，還可對工業及生活中所產生的大量余熱廢熱進行回收，從而提高能源利用率、改善能源結構和保護環境，是一種新型的綠色環保發電技術，具有良好的綜合社會經濟效益[3]。

1 溫差發電原理

溫差發電的基本原理是熱電材料的塞貝克效應：處在溫差環境中的兩種具有不同自由電子密度(或載流子密度)的金屬導體(或半導體)相互接觸時，接觸面上的電子從高濃度向低濃度擴散，且電子的擴散速率與接觸區的溫度差成正比。因此，只要保持兩接觸導體間的溫差，電子就能持續擴散，兩導體另兩個端點之間就會形成穩定的電壓[4]，如圖1所示。

兩導體間的電壓計算公式為：

式中：ΔU為溫差電動勢；α為賽貝克系數；ΔT為兩端溫差。

根據塞貝克效應，將P型(富空穴)和N型(富電子)兩種熱電材料一端連接形成一個PN結，將PN結置于冷、熱源之間，使之處于溫差環境中，如圖2所示。由于熱激發作用，P(N)型材料熱源端空穴(電子)濃度高于冷端，在空穴(電子)濃度梯度的驅動下，空穴和電子從熱源端向冷端擴散，從而形成電動勢，電勢之間連接負載即可產生電流，這樣熱電材料就通過冷、熱源之間的溫差完成了將熱源端的熱能直接轉化成電能的過程[5]。一個PN結形成的電動勢很小，將很多這樣的PN結組合成溫差發電器便可得到足夠高的電壓。

圖1 塞貝克效應示意圖

圖2 溫差發電原理圖

2 半導體溫差發電應用及研究

2.1 航天與軍事領域

雖然早在19世紀就發現了塞貝克效應，但溫差發電技術的研究卻始于20世紀40年代，第一臺溫差發電器發電效率僅為1.5%[6]，由于具有結構簡單、無噪聲、無運動部件、免維護等優點，20世紀60年代溫差發電首先應用在航空、軍事等領域。前蘇聯和美國首先研制并應用于衛星及探測器電源、導航標識等[7]，利用環境微小溫差發電的微型發電裝置，可為衛星信號傳感、儲存運算和無線發送提供穩定持續的電能。

2.2 交通領域

隨著納米技術和先進材料合成技術的發展，熱電材料的無量綱熱電優值不斷提高，溫差發電技術逐漸在民用領域展露頭腳，尤其在汽車、船舶等交通領域。寶馬公司與Amerigon、福特公司簽訂的一千萬美元的溫差發電器合作項目中，溫差發電系統在測試中超過700 W的功率輸出，安裝在寶馬X6和林肯MKT上的溫差發電系統，在道路測試中獲得超過450 W功率輸出[8]；在國內董桂田教授最早進行汽車尾氣余熱研究，以解放牌汽車CA141為平臺進行了尾氣余熱溫差發電系統的研究，該車發電機輸出功率為350 W，額定電壓14 V，額定電流25 A[9]。文獻[10-14]在基于半導體溫差發電在發動機能量回收中的應用研究做了大量實際工作，推動了國內溫差發電技術在汽車尾氣廢熱回收中的應用；在船舶上的應用研究還處在理論階段，文獻[15]通過實際建模計算，對溫差發電在船舶上低溫余熱有效利用做了可行性研究，對未來應用在船舶上的余熱發電的經濟性分析具有一定的指導意義。

2.3 工業廢熱余熱回收及發電領域

溫差發電技術在工業廢熱余熱回收利用方面具有很大潛力，不僅節能環保、提高能源利用率，還可為企業節約燃料成本、創造經濟效益。國內外在火電廠排煙及汽輪機排汽余熱回收、煤爐余熱回收等方面展開大量的研究工作。日、美等發達國家近年圍繞廢熱、余熱等低品位熱能的利用開展了許多項目，如日本政府開展的“固體廢物燃燒能源回收研究計劃”，將溫差發電裝置安裝在垃圾焚燒爐上發電，不僅解決大量垃圾問題，還有效利用焚燒垃圾所產生的熱量，達到廢熱合理利用的效果[16]。

國內在發電領域的研究起步較晚，還沒有實際應用，但有許多學者已在理論研究方面做了很多工作。文獻[17-18]從效率和技術經濟性兩方面分析，提出將火電廠鍋爐與溫差發電器結合的可行方案，提高火電廠能源利用率；文獻[19]指出將溫差發電器裝在電鍛煤爐煙囪，對高溫的煙囪進行能量回收，不僅用于照明還可補充電鍛煤爐的電量，從而減少耗電量，對今后工業廢熱、余熱回收利用具有指導意義。基于大量的理論研究，下一步在工業中展開實際應用研究并逐漸推廣，結合國外經驗，溫差發電技術將在我國工業廢熱回收方面發揮其功效。

2.4 其他領域

半導體溫差發電裝置只要有溫差存在即可發電，且方便攜帶。因此，在用電困難的高原氣象站、邊遠山區、邊防哨所等地，可利用半導體溫差發電作照明電源之用；在穿越荒涼地區的天然氣和石油輸運管道，使用燃油或天然氣燃燒熱，溫差發電裝置作為金屬管道的陰極保護電源和油氣輸運狀態的檢測、通信、控制系統的電源等。

3 半導體溫差發電存在的問題及關鍵技術

當前，半導體溫差發電技術面臨的最大問題是其熱電轉換效率很低，只有5%～7%[5]，遠低于水電、火電、核電、風電、光電等發電方式，由式(1)可知，半導體溫差發電的發電量由溫差和熱電材料的賽貝克系數決定。因此，目前的研究主要圍繞這兩個根本因素展開，力圖提高半導體溫差發電效率。

3.1 熱電材料

熱電材料性能不理想是導致半導體溫差發電效率低的主要原因之一，而衡量熱電材料性能的主要參數是熱電材料無量綱優值ZT：

式中：a為賽貝克系數；σ為電導率；l為熱導率；T為絕對溫度。

熱電材料無量綱優值ZT越高，其熱電性能就越好，熱電轉換效率也越高。由式(2)知，賽貝克系數和電導率越高、熱導率越低，材料的熱電性能越好，而實際并非如此。導熱和導電都是熱電材料內部載流子運動的結果，電導率與熱導率呈正相關關系，材料的這一性質決定了其高電導率與低熱導率不可兼得[20]。傳統的熱電材料ZT值僅為1左右，如果將熱電材料ZT值提高到3左右，溫差發電效率將與傳統發電方式相媲美[5]。

隨著材料合成技術的發展，熱電材料也由傳統的選材目標轉向各種新型熱電材料，各國研究者不斷尋找和開發具有較高優值的新型熱電材料，近年來這方面的研究主要有“新化合物”和“納米復合”兩個方向。

新型的熱電材料主要有：Skuttellldite熱電材料、金屬硅化物型熱電材料、納米超晶格熱電材料、電子晶體——聲子玻璃熱電材料等，超晶格薄膜熱電材料、鈷基氧化物熱電材料、納米超晶格熱電材料等是目前的研究熱點。相對于傳統熱電材料，新型熱電材料ZT值和抗氧化性能都有較大的提升。中國科學院上海硅酸鹽研究所陳立東課題組通過在方鈷礦結構中填充具有不同振動模式的多種原子，合成的材料最高ZT值已超過1.7；武漢理工大學唐新峰課題組圍繞快速凝固和放電等離子體燒結技術，做了系統的研究工作，制備的Bi2Te3基熱電材料ZT值超過1.5；國外美國西北大學Kanatzidis課題組在PbTe材料中添加SrTe和Na摻雜，利用固溶原子、原位析出納米顆粒和亞微米級晶粒所構成的多尺度散射效應，獲得的PbTe基熱電材料ZT值達到2.2[21]。隨著各類綠色環保、高優值的新型熱電材料的出現及熱電材料的批量制造和規模化應用，未來半導體溫差發電將在發電領域具有廣泛的應用前景，發電效率也將真正可以和傳統發電方式媲美。

3.2 參數優化匹配

除熱電材料的性能外，半導體溫差發電裝置的發電效率還取決于與其配合的散熱或導熱裝置和溫差發電器內部的熱電耦合效應，與溫差(ΔT)、負載電阻(R)、溫差發電回路電流(I)、發電器內阻(r)等參數有關，即：提高冷熱源之間的溫差并保持穩定、負載與溫差發電器內部各結構參數匹配最優。

國內賈磊等人最早深入分析溫差發電的熱力過程，得出傳導熱與湯姆遜熱對于器件的發電效率、輸出功率之間的關系，指出選擇合適的工作溫度可以使發電器件達到最大效率[22]。文獻[23-24]對分段溫差電單偶模型的分段元件截面比、長度比及負載電阻分別進行優化后，熱電轉換效率可以達15.2%。文獻[25]對散熱外場下的溫差電系統進行實驗分析得出結論：發電模塊的熱電轉換效率、輸出功率和開路電壓均隨冷熱端溫差的變化成比例，提高熱流密度和熱源溫度可以提高發電系統的輸出功率和熱電轉換效率；張韜等人在半導體溫差發電器匹配負載的熱電耦合分析中指出：負載的改變會影響半導體內部溫度場分布并導致出現最大輸出功率時的負載與發電器內阻不一致而出現漂移[26]；文獻[27]研究發現最大輸出功率和開路電壓隨接觸壓力(接觸熱阻)增大而增大，但增大的幅度隨壓力的增大逐漸減小的結論，而通過改善熱電器件內部PN結接頭處的連接工藝，可以降低其接觸電阻，從而減小發電器的內阻。

半導體溫差發電器件內部各個參數的優化匹配是個極其復雜的綜合性問題，涉及材料工藝、結構選擇及布置等問題，需要權衡各個參數對輸出功率的影響來尋求最優匹配，這是提高半導體溫差發電效率的另一個重要研究方向。

3.3 合理的結構布置

提高溫差發電系統的性能除了完善熱源條件外，另一個重要的措施是改善冷源散熱條件，合理的換熱及冷卻系統的結構設計與優化不僅可以提高冷熱源之間的溫差，還能使之長期保持穩定，從而提高發電效率和性能。

一方面，選擇合理的換熱方式與換熱介質，提高散熱器的散熱系數將直接改善系統性能，比如：液冷、相變換熱等。另一方面，選擇散熱性能好的散熱器及優化散熱器形狀結構、散熱面積等，這對提高并保持冷熱源之間的溫差極為重要。因此，通過尋求散熱性能較好的散熱器和集熱性能較好的集熱器，通過降低冷端溫度和增加熱端溫度來增大溫差ΔT的值，是提高溫差發電效率的另一種有效途徑。

3.4 其他

雖然半導體溫差發電器結構緊湊，但緊湊的結構長期處于極冷和極熱的極端環境中會影響半導體溫差發電器件的可靠性。提高發電效率需要長期保持較高而穩定的溫差，強大的溫差會使連接片熱脹冷縮，產生機械應力，加速器件損壞，甚至可能會使PN電臂斷裂，從而縮短發電器件壽命。

有效的解決辦法：通過建立溫差發電器熱力學有限元模型，利用ANSYS軟件模擬分析模型的CFD溫度場和電勢場分布規律；再通過模態分析模擬計算，獲取整個溫差發電器結構的模態參數(固有頻率、阻尼比和模態振型等)[28]，結合溫度場和電勢場分布規律，綜合考慮溫差發電的輸出特性、結構穩定性和可靠性，對溫差發電裝置各個參數進行優化匹配及選擇合理的結構布置，從而在提高熱電轉換效率的同時克服因機械應力、環境因素等造成的可靠性低的問題。

4 結語

半導體溫差發電技術在工業及生活廢熱余熱、汽車尾氣、地熱能等低品位能源利用上的優勢使其成為研究熱點，與傳統的發電技術相比，具有結構緊湊、無運動部件、無噪聲、綠色環保等優點，與儲能裝置相結合可進行連續發電。雖然目前半導體溫差發電效率較低，但隨著各種性能優良的新型熱電材料的發現和溫差發電器參數及結構優化匹配的研究，半導體溫差發電技術將在更多領域得到應用推廣，從而在提高能源利用率、改善能源結構和保護環境方面發揮其功效。

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Application and research of semiconductor thermoelectric power generation technology

YAN Wei1,QIU Guo-yue1,YUAN Xu-feng1,2
(1.College of Electrical Engineering,Guizhou University,Guiyang Guizhou 550025,China;2.Postdoctoral Workstation of Guizhou Power Grid Corporation,Guiyang Guizhou 550002,China)

Semiconductor thermoelectric power generation is a new energy-saving and environment-friendly power source which can directly convert heat energy to electricity.It has many significant advantages of no pollution,compact structure,no moving parts,no noise and maintenance-free,and can make use of the low-grade heat energy such as solar energy,geothermal energy,industrial and domestic waste heat,automobile exhaust heat to improve the energy efficiency.The principle,application and research status of semiconductor thermoelectric power generation were introduced.The thermoelectric power generation technology problems were summarized;the key technologies to improve the conversion efficiency and future research directions of semiconductor thermoelectric power generation were analyzed.

thermoelectric power generation;waste heat recovery;conversion efficiency;semiconductor

TM 913

A

1002-087 X(2016)08-1737-04

2016-01-20

國家自然科學基金資助項目(510670001)；貴州省科技基金資助項目(黔科合J[2008]2212號)

晏維(1990—)，男，貴州省人，碩士，主要研究方向為電力系統運行與控制。導師：邱國躍(1958—)，男，貴州省人，副教授，主要研究方向為電力系統運行與控制；袁旭峰(1976—)，男，貴州省人，博士后，副教授，主要研究方向為電力系統運行與控制及FACTS技術在電力系統中的應用。

袁旭峰，Email：17015676@qq.com