浅谈温差发电

■ 严李强 程江* 刘 茂元

(1.西藏大学工学院；2.西藏大学理 学院)

0 引言

温差发电是继核能、太阳能、风能之后的又一种新能源利用方式，备受世界各国的关注。温差发电不受天气影响，无噪音、寿命长，但也存在一个严重短板——半导体材料的热电转换率不高。目前温差发电技术的研究方向主要有两个：一是半导体热电材料的研究，在纯净半导体材料中掺入微量的其他元素，如纯净的硅晶体中掺入少量的磷、硼，可有效提高半导体的热电转换率；二是研究更加优化的工艺，即增大或提供持续稳定的温差，如太阳聚光集热装置[1]。

1 温差发电基本概念

从1821年塞贝克在实验中发现温差发电至今，已有半导体温差发电、太阳能温差发电、同位素温差发电、海洋温差发电等温差发电形式[2]。其中，前3者的基本原理都是塞贝克效应，而海洋温差发电原理更加接近水电原理，它是将海面温海水送进真空锅炉，使之汽化，然后推动汽轮机旋转发电，再用冷海水将乏汽冷凝，循环利用。

用塞贝克效应可实现热能与电能的转换，即在两种不同材料的半导体构成的回路中，当一端处于高温状态，另一端处于低温状态时，回路中便可产生电动势[3]，原理如图1所示。其中，电动势计算公式如下：

式中：ε为电动势；Th为高温端温度；Tl为低温端温度；α为热电材料的塞贝克系数(不同材料的塞贝克系数不同)。

图1 温差发电原理图

表1 常见半导体材料的塞贝克系数

常见半导体材料的塞贝克系数[5]如表1所示。从表1数据可知，不同材料的塞贝克系数不同，相同材料作为不同类型的半导体时塞贝克系数也不同。

2 半导体温差发电

2.1 半导体温差发电原理

半导体温差发电是利用塞贝克效应将热能直接转化为电能，原理如图2所示。为提高发电量，第一是使用更高塞贝克系数的半导体材料；第二是引入更高、更稳定的热源和恒定的冷源以产生稳定的、较大的温差。

图2 半导体温差发电示意图

半导体温差发电热源的形式多样，使用热水作为热源的半导体温差发电装置如图3所示，使用聚焦太阳光作为热源的半导体温差发电装置如图4所示，图4又称集热式太阳能温差发电装置。采用型号TEC1-031100T200、规格为40 mm×40 mm×4 mm温差发电片的集热式太阳能温差发电装置实验测量数据部分结果[1]见表2。

图3 太阳能温差发电示意图

由表2可见，半导体温差发电机，在相同组件条件下，温差越大输出功率越大；在相同温差环境下，组件数越少输出功率越大，即单位面积温差越大输出功率越大。

图4 集热式太阳能温差发电示意图

表2 集热式太阳能温差发电装置实验数据

针对单一的太阳能温差发电存在太阳能利用率不高的情况，学者们分别提出了太阳能热电-光电复合型发电和分频型发电系统。其中分频型发电系统根据温差发电及光伏发电的特点，将入射频率(hv)大于Eg的光，即波长在200～800 nm的太阳光用于光伏发电；小于Eg的光，即波长在800～3000 nm太阳光携带的大量热量用于温差发电，不仅提高了太阳光利用率，而且降低了用于光伏发电的光因电池温度升高对发电效率的影响，优于复合型发电系统。实验结果表明，分频型系统发电效率随聚光比的增大而增大[6]。

2.2 半导体温差发电的研究和应用现状

半导体温差发电技术的研究起源于20世纪40年代，最先由前苏联研制成功，其发电效率仅为1.5%～2%；到20世纪60年代其研究达到一个高峰，随后半导体温差发电成功应用到航天和军事等领域。进入21世纪后，因半导体温差发电是一种对环境无污染、可持续的全固态形式的热电转化技术，民用半导体温差发电成为一个极其重要的研究方向。

在国外，1922年第一台太阳能温差发电装置用于测量各星球的红外辐射。1954年，Telkes M研制出由25对温差电偶组成的太阳能温差发电机，其可形成247 ℃的温差，效率达3.35%。2004年泰国学者设计出一种用铜板做集热器的太阳能温差发电屋顶，可产生1.2 W/m2的电力。2006年日本学者Hasebe等以夏日路面的高温为热源，热交换管为集热器，采用19组温差电组件。2010年Amatya R和Ram R J通过热力学分析预测了使用新型温差发电材料n型ErAs:(InGaAs)1-x(InAlAs)x和p型(AgSbTe)x(PbSnTe)1-x的温差发电器在太阳能集热器聚光比为120时，转换效率达到5.6%[7]。

在我国，宋启鹏等将太阳能热水器与半导体温差发电模块结合得到太阳能驱动半导体温差发电设备。张清杰与新野正之提出了太阳能热电-光电复合发电技术。曾葆青等通过聚光集热器、温差发电器等组装了一套集热式太阳能温差发电装置。 Yang T Q等建立了基于高性能热电材料的发电器三维有限元分析模型，得出装置效率达9.95%。Li P等对聚光太阳能温差发电器的设计进行了研究，得出基于热电材料Bi2Te3、方钴矿和AgSbPbTe合金的发电装置，效率分别为9.8%、13.5%和14.1%[7]。

半导体温差发电目前主要用于勘探、军事等领域，将发电装置与太阳能、地热、汽车尾气余热、工业废热等结合，回收热能将其转化为电能。其中，我国的西藏、新疆、甘肃等地的太阳能平均日辐射量达5.1～6.4 kWh/m2[8]，故太阳能温差发电在新疆、西藏、甘肃等地区的应用将产生极大的经济价值。

3 同位素温差发电

3.1 同位素温差发电原理

自然界中发生热传递的方式有两种：一是分子碰撞；二是热辐射，即电磁辐射。由热力学第二定律可知，自然界中物体的温度不可能达到绝对零度，故物体必然向外界发出电磁辐射线，而物体的温度越高，电磁辐射的强度也越强。

放射性同位素的化学性质不稳定，衰变过程中源源不断地发出有热能的射线，且释放的能量比一般物质释放的能量高出很多数量级。根据塞贝克效应，利用换能器(热电偶)将放射性同位素在衰变时释放的大量热能转化为电能，即放射性同位素温差发电，又称同位素电池或核电池。

同位素电池如图5所示，一般呈圆柱形，放射性同位素衰变过程中释放的热量作为热源置于圆柱体中心，外围用热电元件包裹；再外围是换能器(换能器是放射性同位素电池的核心部件，目前常用换能器为静态热电换能器)，它的作用是将热能转换成电能；次外层是辐射屏蔽层，用于包裹放射性元素，防止射线泄露；最外层用合金外壳将其包裹，用于保护电池。只要热源和换能器之间存在温差便可发电，核电池的热电转换效率为10%～20%。

图5 同位素温差电池示意图

3.2 同位素温差发电的研究和应用现状

自1957年前苏联发射世界上第一颗卫星以来，核电池便开始应用到航天器上，航天器在夜晚等特殊环境工作时，核电池能为其提供稳定、持久的动力，且装置体积小、质量轻。

我国从20世纪70年代开始研究同位素温差发电器，最初由中国科学院研制出了以钋-210为热源的核电池，2004年又开始研制“百毫瓦级钚-238同位素电池”，并在2006年完成了其总体设计与相关工艺研究，成功研制出了样品。从钋-210核电池到钚-238核电池的研制成功，标志着我国在核能源领域的研究取得了重大突破，为继续进行外太空探索、空间开发、核动力大型船只等在能源保障方面奠定了坚实的基础。

在国外，前苏联从20世纪60年代末开始研制放射性同位素温差电机，将同位素温差发电机用于军事卫星、远洋科研等，主要原料为钋-210，平均工作寿命长达10年以上。美国在1959年研制出了世界上第一个核电池，此后在1977年美国国家航空和宇航局(NASA)发射了航行者1号飞船，在该飞船上所有的电能由1200个温差发电机提供，放射性元素钚-238的中子衰变为其提供热源[9]。该热发电系统已安全运行了35年，预计该核电池能持续运行到2025年。

核电池因具有可靠性强、性能稳定、体积小、质量轻、寿命长等特点，故也将其应用于医学，目前其已被制成小型心脏起搏器植入患者体内，可持续、稳定工作10年以上。

4 海洋温差发电

4.1 海洋温差发电原理

利用海洋表层的温海水和深层的冷海水间存在的温差进行发电的技术，称为海洋温差发电。通常透过大气层到达海面的太阳光进入海面以下1 m时约70%的热量被海水吸收，而水深200 m处的海水，几乎没有吸收太阳光的热量。海洋温差发电就是将海洋表面的吸收了近70%太阳光热量的温水送入被抽成真空的锅炉里面，此时因锅炉内被抽成真空，压力急剧下降，引进真空锅炉的温海水便立即汽化为蒸汽，然后利用这种温海水汽化成的蒸汽推动汽轮发电机发电，最后用深层的冷海水使做功后的乏汽凝华，再次利用。在理论上冷、热水之间的温差高于16.6 ℃即可发电，而实际应用中一般都高于20 ℃。海洋温差发电有3种循环方式：开式循环、闭式循环和混式循环[10]。

海洋温差发电开式循环中的闪蒸器作用是在真空环境下使温海水汽化为蒸汽，推动汽轮机旋转发电，凝汽器使驱动汽轮机做功后排出的蒸汽凝华为凝结水。海洋温差发电开式循环流程图如图6所示。

图6 海洋温差发电开式循环示意图

海洋温差发电闭式循环中的闪蒸器、汽轮机、凝汽器的作用与开式循环的相同，其中工质的作用是使温海水蒸发成蒸汽，如低沸点的丙烷、氨等。海洋温差发电闭式循环流程图如图7所示。

图7 海洋温差发电闭式循环示意图

海洋温差发电混式循环中的闪蒸器、汽轮机、凝汽器的作用与开式循环的相同，其中工质的作用与闭式循环的相同，蒸发器的作用是使蒸汽中的晶体(如氯化钠)析出。海洋温差发电混式循环流程图如图8所示。

图8 海洋温差发电混式循环示意图

4.2 海洋温差发电的研究和应用现状

海洋面积占地球表面积的71%，海洋能极其丰富，而其中温差能储量高达3.15×1018kJ[11]。我国近海及毗邻海域温差能储量高达1.08×1018～1.75×1018kJ，可装机利用的为 5.4×1016～1.12 ×1017kJ，其中90%分布在南海[12]。

在国外，1926年法国人Claude G在古巴建成了世界上第一个陆基开式海洋温差发电装置。1979年8月，美国夏威夷岛上建成了一个叫做“MINI-OTEC”的漂浮式海洋温差发电站[13]，海洋温差发电迈上了一个新台阶，因其为世界上第一个有净功率输出的海洋温差发电装置，净功率达15 kW。1993年在夏威夷建成了210 kW的开式循环系统[14]，同时还能产生淡水。

在国内，1986年中科院广东研究所研制出开式温差能转化试验模拟装置[15]。2004～2005年天津大学完成混合式海洋温差能利用系统理论研究课题[16]。2012年我国第一个15 kW实用温差能发电装置建成[17]。据凤凰网2013年4月16日报道，中国与美国洛克希德·马丁公司签署合同，将在我国海南省建设一座海洋温差发电厂，装机容量达10 MW[18]。这将使海洋温差发电进入商业化时代。

海洋温差发电最适用于海洋能丰富的环境，我国拥有长达1.8万km的大陆海岸线，应用海洋温差发电不仅可给周边的地区供应电力资源，而且在发电过程中可副产淡水资源，为沿海地区的人们生活所用。

5 结语

温差发电最关键的问题之一是解决温差，综合考虑环境和利用塞贝克效应温差发电的特性，通过改变组件数量、增大温差或提供持久的有效温差来提高热电转换效率。与分频型发电系统相比，后者发电效率、资源利用率更高，设备损坏率更低。海洋中储存的温差能极其丰富，因此海洋温差发电具有极大的开发利用价值。温差发电的众多优点使其在保持社会可持续发展、环境保护中具有突出效果，故温差发电在新能源领域的应用前景也将不可估量。

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