溫差發(fā)電技術(shù)研究綜述

霍蒙，吳舸，袁宏，楊紅發(fā)，熊思勇，張智峰

溫差發(fā)電技術(shù)研究綜述

霍蒙，吳舸，袁宏，楊紅發(fā)，熊思勇，張智峰

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610041）

溫差發(fā)電技術(shù)利用熱電半導(dǎo)體材料的溫差電效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，具有壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等優(yōu)點，尤其適用于空間或深海裝置能量轉(zhuǎn)換等特殊工況。概括介紹了溫差發(fā)電的基本原理和主要技術(shù)途徑，分析了熱電材料和發(fā)電器件兩項關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上對未來發(fā)展進行了展望。

溫差發(fā)電；技術(shù)途徑；熱電材料；發(fā)電器件

溫差發(fā)電技術(shù)，又稱熱電發(fā)熱技術(shù)，它利用熱電半導(dǎo)體材料的溫差電效應(yīng)——賽貝克（Seebeck）效應(yīng)，將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能。熱電半導(dǎo)體利用塞貝克效應(yīng)實現(xiàn)溫差發(fā)電原理如圖1所示。N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體上端通過導(dǎo)流片連接，下端則由閉合電路連接。對其上端加熱，另一端散熱，在溫度梯度下半導(dǎo)體冷熱兩端載流子分布發(fā)生變化，由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體組成的回路中由于有溫差電動勢存在而產(chǎn)生電流。將類似結(jié)構(gòu)進行組合，即可構(gòu)成成規(guī)模的溫差發(fā)電裝置。由于溫差發(fā)電裝置一般沒有運動部件，使用維護需求低，與太陽能發(fā)電、化學(xué)電池、燃料電池等相比功率比較高，尤其適用于空間或深海裝置能量轉(zhuǎn)換。在20世紀30年代以后，隨著熱電材料和溫差電器件的發(fā)展，溫差發(fā)電技術(shù)也迎來了飛速發(fā)展。

圖1 溫差發(fā)電原理示意圖

1 溫差發(fā)電主要技術(shù)途徑

根據(jù)所使用熱能來源或應(yīng)用場景的不同，目前溫差發(fā)電主要分為同位素溫差發(fā)電、核反應(yīng)堆溫差發(fā)電、烴燃料溫差發(fā)電、工業(yè)廢熱發(fā)電以及太陽能光電-熱電復(fù)合發(fā)電等技術(shù)途徑。

同位素溫差電池（RTG）是以放射性同位素為熱源的能量轉(zhuǎn)化裝置。20世紀50年代，美國和俄羅斯（前蘇聯(lián)）啟動研究用于深空探測用的核電源技術(shù)。目前，美國已在導(dǎo)航通訊衛(wèi)星、星際飛行器等27項空間探測任務(wù)中累計使用了46枚同位素溫差電池，最長服役時間超過30年[1]，已使用的RTG全部采用Pu-238放射性同位素，輸出電功率最高到300 W，熱電效率達6.7%[2]。俄羅斯設(shè)計的“安琪兒”同位素溫差電池被應(yīng)用于無人航天器，輸出電功率為0.18 W，熱電效率為2.6%，設(shè)計壽命為10年[3]。中國關(guān)于空間同位素溫差電池的研究始于20世紀70年代，伴隨人造衛(wèi)星研制需求，中國原子能科學(xué)研究院等單位開始對熱電材料與系統(tǒng)的研發(fā)。2006年和2010年，中國原子能科學(xué)研究院與中國電子科技集團第十八研究所合作，分別研制出了百毫瓦級（輸出功率370 mW，轉(zhuǎn)換效率3.3%）、瓦級（輸出功率1.22 W，效率4.8%）的Pu-238同位素溫差電池。2013年，上海硅酸鹽研究所完成百瓦級模擬熱源溫差電池樣機研制，輸出功率和轉(zhuǎn)換效率分別為105.4 W和7.3%。

核反應(yīng)堆溫差電池（FRTGS）以核反應(yīng)堆為熱源，將核燃料裂變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成電能。美國研制的Snap-10A溫差電池是世界上第一臺核反應(yīng)堆溫差電池，其熱電材料是硅鍺合金，輸出功率為580 W，轉(zhuǎn)換效率為1.43%。目前正在執(zhí)行SP-100空間核反應(yīng)堆電源計劃，輸出功率預(yù)計為 12.5 W。俄羅斯則在20世紀七八十年代發(fā)射的偵察衛(wèi)星上使用了30余個Romashka空間核反應(yīng)堆溫差電池，其輸出電功率為400～600 W，轉(zhuǎn)換效率為1.3%～2%。核反應(yīng)堆溫差電池方面，俄羅斯和美國依然代表著世界最先進水平，而中國則在該領(lǐng)域研究較少。

烴燃料溫差電池以烴燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能作為熱源。加拿大研制了一種碲化鉛為熱電材料的氣體燃料溫差電池，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于油氣運輸網(wǎng)絡(luò)。美國研制了一種以汽油、柴油等多種液體燃料作為熱源的溫差電池，其熱電材料為Bi2Te3，輸出功率為0.3～20 W，熱電轉(zhuǎn)換效率約4%[4]。

工業(yè)廢熱發(fā)電則是以工業(yè)余熱和汽車尾氣等廢熱回收作為熱源以實現(xiàn)溫差發(fā)電。由于該技術(shù)能更充分利用低品質(zhì)能源實現(xiàn)節(jié)能減排，近些年來，美、德、日等國家大力推進該技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用。2009—2011年，美國通用、德國寶馬、德國大眾等公司先后完成汽車尾氣廢熱發(fā)電系統(tǒng)試車，功率達300～600 W[5]。2013年，日本開展“固體廢物燃燒能源回收研究計劃”，開發(fā)利用以垃圾焚燒廢熱作為熱源進行熱電發(fā)電，每立方米的垃圾發(fā)電量達400 W以上[6]。而中國在該方面起步較晚，主要集中在理論研究方面，缺乏具體的實際應(yīng)用。

太陽能光電-熱電復(fù)合發(fā)電是利用高效熱電材料和光電材料，對全光譜太陽能分頻利用，將紅外光進行有效聚集后進行熱電轉(zhuǎn)換，將紫外-可見光進行光電轉(zhuǎn)換，最終集成實現(xiàn)全光譜高效發(fā)電利用。2010年，武漢理工大學(xué)和上海硅酸鹽研究所合作建造了國際上第一臺太陽能熱電-光電復(fù)合發(fā)電分布式電站系統(tǒng)，其發(fā)電功率達到5 kW，發(fā)電效率達到21.8%[7-8]。

2 溫差發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域

2.1 熱電材料性能水平

熱電材料性能是溫差發(fā)電系統(tǒng)的核心。一般用溫差電優(yōu)值評價熱電材料性能，它與塞貝克系數(shù)、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率 有關(guān)。

目前大量應(yīng)用的傳統(tǒng)合金熱電材料有Bi2Te3熱電材料、PbTe熱電材料、SiGe熱電材料、GeTe熱電材料等。其中Bi2Te3材料是目前溫差電優(yōu)值最高和研究最成熟的材料之一，其室溫下值可達到0.6[9]。隨著材料技術(shù)發(fā)展，通過材料摻雜、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和納米改良等方法，熱電材料性能不斷得到突破，中國在多個熱電材料體系的性能水平均達到了國際領(lǐng)先。其中，中溫（300～500 ℃）PbTe系列、低溫（室溫至300 ℃）BiTe系列等材料最大值已突破1.0；高溫（500～900 ℃）體系SiGe系列材料最大值分別達到0.85（N型）和0.75（P型）。LI等人利用InxCeyCo4Sb12方鈷礦體系通過引入雜質(zhì)相制備的納米復(fù)合材料，其最大值已達到1.43[10]。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所合成的方鈷礦結(jié)構(gòu)材料最高值已超過1.7，而美國西北大學(xué)則通過在PbTe材料中添加SrTe和Na摻雜，其熱電材料值達到2.2[11]。

2.2 發(fā)電器件技術(shù)水平

熱電發(fā)電器件方面，由于均質(zhì)熱電材料在整個工作溫度區(qū)間內(nèi)的平均值一般都較低（不超過1.0），針對特定材料的效率最優(yōu)溫度范圍較小（一般小于200 ℃），而發(fā)電器件實際工作溫度范圍較大（一般300～500 ℃），單一均質(zhì)熱電材料不能充分發(fā)揮性能，需沿溫度梯度方向適配不同的熱電材料，使其保持在最佳工作溫度，才能提高熱電綜合轉(zhuǎn)換效率。上海硅酸鹽研究所研制的CoSb3基方鈷礦材料器件的轉(zhuǎn)換效率最高可達8.2%，中溫/低溫（方鈷礦/碲化鉍）級聯(lián)器件轉(zhuǎn)換效率最高已經(jīng)達到10.4%。

目前公開報道的美日等國的主要熱電發(fā)電器件性能如表1所示。

表1 公開報道的熱電發(fā)電器件性能

生產(chǎn)單位材料類型最高效率/（%）最大功率/W最大尺寸/mm最高溫度/℃ KELK（日本）Bi2Te3基7.22450×50280 Marlow（美國）Bi2Te3基5.037.9540×40250 Hi-Z（美國）Bi2Te3基4.51975×75250 Furukawa（日本）CoSb3基8約3250×50600 GMZ（美國）Half-Heusler4.5約1640×40600

3 結(jié)束語

與傳統(tǒng)發(fā)電形式相比，溫差發(fā)電技術(shù)由于具有技術(shù)成熟度高、工作壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于太空、深海無人環(huán)境供電、汽車余熱利用等特殊工況。雖然目前發(fā)電效率依然偏低，但由于熱電材料和發(fā)電器件技術(shù)水平的不斷提升，發(fā)電裝置的最大輸出電功率和最高熱電轉(zhuǎn)換效率均已得到大力提升。未來隨著高性能溫差電材料制備、元件器生產(chǎn)、裝置熱電性能分析及仿真等關(guān)鍵技術(shù)的突破，溫差發(fā)電技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到推廣。

［1］侯欣賓，王立.美國空間同位素能源裝置發(fā)展現(xiàn)狀［J］.航天器工程，2007，16（2）：41-49.

［2］張建中.溫差電技術(shù)［M］.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2013：5-8.

［3］侯旭峰.百毫瓦同位素溫差電池技術(shù)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2014.

［4］易云.微型溫差電池及系統(tǒng)的設(shè)計與制造技術(shù)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2017.

［5］晏維，邱國躍，袁旭峰.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)，2016，40（8）：1737-1740.

［6］YANG J.Potential applications of thermoelectric waste heat recovery in the automotive industry［J］. International Conference on Thermoelectric，2005（67）：155-159.

［7］劉哲廷，趙強，劉濤，等.熱電材料與器件在太陽能利用領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀［J］.新能源材料與器件，2018，37（5）：1-8

［8］楊天麒.太陽能熱電-光電復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的熱力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［9］ZHANG Y，WANG H，KTAEMER S，et al.Surfactant-free synthesis of Bi2Te3-Temicro-nano heterostructure with enhanced thermoelectric figure of merit［J］.ACS Nano，2011，5（4）：3158-3165.

［10］LI H，TANG X，ZHANG Q，et al.High performance InxCeyCo4Sb12thermoelectric materials with in situ forming nanostructured InSb phase［J］.Applied Physics Letters，2009，94（10）：102-114.

［11］LIN Z，LIU Z C，F(xiàn)U W J，et al.Phosphorous pentasulfide as a novel additive for high-performance lithium-sulfur batteries［J］.Adv Funct Mater，2013（23）：1064-1069.

2095－6835（2020）10－0094－02

TM913

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.040

〔編輯：王霞〕