半导体温差发电技术应用及研究综述

晏维，邱国跃，袁旭峰,2

(1.贵州大学电气工程学院，贵州贵阳550025；2.贵州电网公司博士后工作站，贵州贵阳550002)

半导体温差发电技术应用及研究综述

晏维1，邱国跃1，袁旭峰1,2

(1.贵州大学电气工程学院，贵州贵阳550025；2.贵州电网公司博士后工作站，贵州贵阳550002)

半导体温差发电直接将热能转换为电能，具有无污染、结构紧凑、无旋转部件、无噪声、免维护等优点，是一种新型的节能环保发电技术，可将地热能、太阳能、工业及生活余热废热、汽车尾气废热等低品位热能转化为电能，提高能源利用率。介绍了半导体温差发电的原理、应用领域及研究状况，总结了半导体温差发电技术存在的问题，分析了提高半导体温差发电效率的关键技术及未来的研究方向。

温差发电；余热回收；发电效率；半导体

随着世界经济增长，电力需求越来越大，能源短缺问题也日渐突出，人们逐渐将目光投向风能、太阳能等新能源，希望改变现有的能源结构，实现可持续发展。然而在现有的能源系统中，超过50%以上的能量都是以废热的形式散失到周围环境中。随着我国工业化的高速发展，每天都产生大量的工业废热和余热，直接将这些废热排向大气，不仅严重污染环境，造成温室效应，引起酸雨等自然灾害，还造成能源的极大浪费。美国能源部的一个报告指出，每年美国工业产生的废热相当于500万美国人一年的能源消耗量，全球每年都要耗费上百亿美元来处理废热余热[1]。我国具有相当丰富的废热蕴藏量，其中地热蕴藏量近4.4×1030J，折合成电量为6.74 GW，相当于我国3年所需的电量[2]。半导体温差发电直接将热能转化为电能，不仅能有效利用自然界中的地热能、海洋热能、太阳能等非污染能源，还可对工业及生活中所产生的大量余热废热进行回收，从而提高能源利用率、改善能源结构和保护环境，是一种新型的绿色环保发电技术，具有良好的综合社会经济效益[3]。

1 温差发电原理

温差发电的基本原理是热电材料的塞贝克效应：处在温差环境中的两种具有不同自由电子密度(或载流子密度)的金属导体(或半导体)相互接触时，接触面上的电子从高浓度向低浓度扩散，且电子的扩散速率与接触区的温度差成正比。因此，只要保持两接触导体间的温差，电子就能持续扩散，两导体另两个端点之间就会形成稳定的电压[4]，如图1所示。

两导体间的电压计算公式为：

式中：ΔU为温差电动势；α为赛贝克系数；ΔT为两端温差。

根据塞贝克效应，将P型(富空穴)和N型(富电子)两种热电材料一端连接形成一个PN结，将PN结置于冷、热源之间，使之处于温差环境中，如图2所示。由于热激发作用，P(N)型材料热源端空穴(电子)浓度高于冷端，在空穴(电子)浓度梯度的驱动下，空穴和电子从热源端向冷端扩散，从而形成电动势，电势之间连接负载即可产生电流，这样热电材料就通过冷、热源之间的温差完成了将热源端的热能直接转化成电能的过程[5]。一个PN结形成的电动势很小，将很多这样的PN结组合成温差发电器便可得到足够高的电压。

图1 塞贝克效应示意图

图2 温差发电原理图

2 半导体温差发电应用及研究

2.1 航天与军事领域

虽然早在19世纪就发现了塞贝克效应，但温差发电技术的研究却始于20世纪40年代，第一台温差发电器发电效率仅为1.5%[6]，由于具有结构简单、无噪声、无运动部件、免维护等优点，20世纪60年代温差发电首先应用在航空、军事等领域。前苏联和美国首先研制并应用于卫星及探测器电源、导航标识等[7]，利用环境微小温差发电的微型发电装置，可为卫星信号传感、储存运算和无线发送提供稳定持续的电能。

2.2 交通领域

随着纳米技术和先进材料合成技术的发展，热电材料的无量纲热电优值不断提高，温差发电技术逐渐在民用领域展露头脚，尤其在汽车、船舶等交通领域。宝马公司与Amerigon、福特公司签订的一千万美元的温差发电器合作项目中，温差发电系统在测试中超过700 W的功率输出，安装在宝马X6和林肯MKT上的温差发电系统，在道路测试中获得超过450 W功率输出[8]；在国内董桂田教授最早进行汽车尾气余热研究，以解放牌汽车CA141为平台进行了尾气余热温差发电系统的研究，该车发电机输出功率为350 W，额定电压14 V，额定电流25 A[9]。文献[10-14]在基于半导体温差发电在发动机能量回收中的应用研究做了大量实际工作，推动了国内温差发电技术在汽车尾气废热回收中的应用；在船舶上的应用研究还处在理论阶段，文献[15]通过实际建模计算，对温差发电在船舶上低温余热有效利用做了可行性研究，对未来应用在船舶上的余热发电的经济性分析具有一定的指导意义。

2.3 工业废热余热回收及发电领域

温差发电技术在工业废热余热回收利用方面具有很大潜力，不仅节能环保、提高能源利用率，还可为企业节约燃料成本、创造经济效益。国内外在火电厂排烟及汽轮机排汽余热回收、煤炉余热回收等方面展开大量的研究工作。日、美等发达国家近年围绕废热、余热等低品位热能的利用开展了许多项目，如日本政府开展的“固体废物燃烧能源回收研究计划”，将温差发电装置安装在垃圾焚烧炉上发电，不仅解决大量垃圾问题，还有效利用焚烧垃圾所产生的热量，达到废热合理利用的效果[16]。

国内在发电领域的研究起步较晚，还没有实际应用，但有许多学者已在理论研究方面做了很多工作。文献[17-18]从效率和技术经济性两方面分析，提出将火电厂锅炉与温差发电器结合的可行方案，提高火电厂能源利用率；文献[19]指出将温差发电器装在电锻煤炉烟囱，对高温的烟囱进行能量回收，不仅用于照明还可补充电锻煤炉的电量，从而减少耗电量，对今后工业废热、余热回收利用具有指导意义。基于大量的理论研究，下一步在工业中展开实际应用研究并逐渐推广，结合国外经验，温差发电技术将在我国工业废热回收方面发挥其功效。

2.4 其他领域

半导体温差发电装置只要有温差存在即可发电，且方便携带。因此，在用电困难的高原气象站、边远山区、边防哨所等地，可利用半导体温差发电作照明电源之用；在穿越荒凉地区的天然气和石油输运管道，使用燃油或天然气燃烧热，温差发电装置作为金属管道的阴极保护电源和油气输运状态的检测、通信、控制系统的电源等。

3 半导体温差发电存在的问题及关键技术

当前，半导体温差发电技术面临的最大问题是其热电转换效率很低，只有5%～7%[5]，远低于水电、火电、核电、风电、光电等发电方式，由式(1)可知，半导体温差发电的发电量由温差和热电材料的赛贝克系数决定。因此，目前的研究主要围绕这两个根本因素展开，力图提高半导体温差发电效率。

3.1 热电材料

热电材料性能不理想是导致半导体温差发电效率低的主要原因之一，而衡量热电材料性能的主要参数是热电材料无量纲优值ZT：

式中：a为赛贝克系数；σ为电导率；l为热导率；T为绝对温度。

热电材料无量纲优值ZT越高，其热电性能就越好，热电转换效率也越高。由式(2)知，赛贝克系数和电导率越高、热导率越低，材料的热电性能越好，而实际并非如此。导热和导电都是热电材料内部载流子运动的结果，电导率与热导率呈正相关关系，材料的这一性质决定了其高电导率与低热导率不可兼得[20]。传统的热电材料ZT值仅为1左右，如果将热电材料ZT值提高到3左右，温差发电效率将与传统发电方式相媲美[5]。

随着材料合成技术的发展，热电材料也由传统的选材目标转向各种新型热电材料，各国研究者不断寻找和开发具有较高优值的新型热电材料，近年来这方面的研究主要有“新化合物”和“纳米复合”两个方向。

新型的热电材料主要有：Skuttellldite热电材料、金属硅化物型热电材料、纳米超晶格热电材料、电子晶体——声子玻璃热电材料等，超晶格薄膜热电材料、钴基氧化物热电材料、纳米超晶格热电材料等是目前的研究热点。相对于传统热电材料，新型热电材料ZT值和抗氧化性能都有较大的提升。中国科学院上海硅酸盐研究所陈立东课题组通过在方钴矿结构中填充具有不同振动模式的多种原子，合成的材料最高ZT值已超过1.7；武汉理工大学唐新峰课题组围绕快速凝固和放电等离子体烧结技术，做了系统的研究工作，制备的Bi2Te3基热电材料ZT值超过1.5；国外美国西北大学Kanatzidis课题组在PbTe材料中添加SrTe和Na掺杂，利用固溶原子、原位析出纳米颗粒和亚微米级晶粒所构成的多尺度散射效应，获得的PbTe基热电材料ZT值达到2.2[21]。随着各类绿色环保、高优值的新型热电材料的出现及热电材料的批量制造和规模化应用，未来半导体温差发电将在发电领域具有广泛的应用前景，发电效率也将真正可以和传统发电方式媲美。

3.2 参数优化匹配

除热电材料的性能外，半导体温差发电装置的发电效率还取决于与其配合的散热或导热装置和温差发电器内部的热电耦合效应，与温差(ΔT)、负载电阻(R)、温差发电回路电流(I)、发电器内阻(r)等参数有关，即：提高冷热源之间的温差并保持稳定、负载与温差发电器内部各结构参数匹配最优。

国内贾磊等人最早深入分析温差发电的热力过程，得出传导热与汤姆逊热对于器件的发电效率、输出功率之间的关系，指出选择合适的工作温度可以使发电器件达到最大效率[22]。文献[23-24]对分段温差电单偶模型的分段元件截面比、长度比及负载电阻分别进行优化后，热电转换效率可以达15.2%。文献[25]对散热外场下的温差电系统进行实验分析得出结论：发电模块的热电转换效率、输出功率和开路电压均随冷热端温差的变化成比例，提高热流密度和热源温度可以提高发电系统的输出功率和热电转换效率；张韬等人在半导体温差发电器匹配负载的热电耦合分析中指出：负载的改变会影响半导体内部温度场分布并导致出现最大输出功率时的负载与发电器内阻不一致而出现漂移[26]；文献[27]研究发现最大输出功率和开路电压随接触压力(接触热阻)增大而增大，但增大的幅度随压力的增大逐渐减小的结论，而通过改善热电器件内部PN结接头处的连接工艺，可以降低其接触电阻，从而减小发电器的内阻。

半导体温差发电器件内部各个参数的优化匹配是个极其复杂的综合性问题，涉及材料工艺、结构选择及布置等问题，需要权衡各个参数对输出功率的影响来寻求最优匹配，这是提高半导体温差发电效率的另一个重要研究方向。

3.3 合理的结构布置

提高温差发电系统的性能除了完善热源条件外，另一个重要的措施是改善冷源散热条件，合理的换热及冷却系统的结构设计与优化不仅可以提高冷热源之间的温差，还能使之长期保持稳定，从而提高发电效率和性能。

一方面，选择合理的换热方式与换热介质，提高散热器的散热系数将直接改善系统性能，比如：液冷、相变换热等。另一方面，选择散热性能好的散热器及优化散热器形状结构、散热面积等，这对提高并保持冷热源之间的温差极为重要。因此，通过寻求散热性能较好的散热器和集热性能较好的集热器，通过降低冷端温度和增加热端温度来增大温差ΔT的值，是提高温差发电效率的另一种有效途径。

3.4 其他

虽然半导体温差发电器结构紧凑，但紧凑的结构长期处于极冷和极热的极端环境中会影响半导体温差发电器件的可靠性。提高发电效率需要长期保持较高而稳定的温差，强大的温差会使连接片热胀冷缩，产生机械应力，加速器件损坏，甚至可能会使PN电臂断裂，从而缩短发电器件寿命。

有效的解决办法：通过建立温差发电器热力学有限元模型，利用ANSYS软件模拟分析模型的CFD温度场和电势场分布规律；再通过模态分析模拟计算，获取整个温差发电器结构的模态参数(固有频率、阻尼比和模态振型等)[28]，结合温度场和电势场分布规律，综合考虑温差发电的输出特性、结构稳定性和可靠性，对温差发电装置各个参数进行优化匹配及选择合理的结构布置，从而在提高热电转换效率的同时克服因机械应力、环境因素等造成的可靠性低的问题。

4 结语

半导体温差发电技术在工业及生活废热余热、汽车尾气、地热能等低品位能源利用上的优势使其成为研究热点，与传统的发电技术相比，具有结构紧凑、无运动部件、无噪声、绿色环保等优点，与储能装置相结合可进行连续发电。虽然目前半导体温差发电效率较低，但随着各种性能优良的新型热电材料的发现和温差发电器参数及结构优化匹配的研究，半导体温差发电技术将在更多领域得到应用推广，从而在提高能源利用率、改善能源结构和保护环境方面发挥其功效。

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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

国家自然科学基金资助项目(510670001)；贵州省科技基金资助项目(黔科合J[2008]2212号)

晏维(1990—)，男，贵州省人，硕士，主要研究方向为电力系统运行与控制。导师：邱国跃(1958—)，男，贵州省人，副教授，主要研究方向为电力系统运行与控制；袁旭峰(1976—)，男，贵州省人，博士后，副教授，主要研究方向为电力系统运行与控制及FACTS技术在电力系统中的应用。

袁旭峰，Email：17015676@qq.com