温差半导体发电技术研究现状

塔里木大学现代农业工程重点实验室 陈宏涛肖爱玲

塔里木大学机械电气化工程学院

温差半导体发电技术研究现状

塔里木大学现代农业工程重点实验室 陈宏涛肖爱玲

塔里木大学机械电气化工程学院

温差半导体发电技术是一种新型的绿色环保的发电技术，能有效减缓当今社会在能源方面的压力。近些年以来，在国内外众多研究者的努力下，温差发电技术取得了很大的进步。最初，由于研究者对热电材料的认识不足，且仅限于金属热电材料，因此热电转换效率比较低下。到了20世纪30年代，由于研究者对半导体金属材料的研究深入，推动了温差半导体发电技术的极大进步。再后来，Douglas等设计出了多模块交互回路温差发电器，使得温差半导体的输出功率得到了更大幅度的提升。如今，温差半导体发电技术已经在实际的生活中广泛应用开来，受到了越来越多国家的重视。本文主要介绍了目前国内外在温差发电技术上的一些研究成果以及在各个领域的应用和发展方向。

温差半导体；温差发电类型；研究现状；应用

0 引言

21世纪全球能源压力日益加重，各国都在积极寻求新能源来减缓国内所面临的能源压力，目前而言，世界各国主要的发电方式包括火力发电、水力发电、风力发电、太阳能发电以及日益增多的核电站等，电力是一个国家的重中之重。对于我国而言，由于人口众多，发展迅速，能源需求比较旺盛，但是目前我国主要的发电方式仍是火力发电和水力发电。对于火力发电而言，其主要利用的是煤炭作为燃料进行发电，能源消耗较大，并且煤炭燃烧所产生的废气对于环境的污染危害也比较大。因此，发展其他可替代的新型发电方式显得尤为重要。

而温差发电技术，从原理上而言，在发电过程中并不会对环境产生污染，通过借助现有的实际条件进行发电，符合绿色无污染、可持续发展的特点。因而大力发展温差半导体发电技术很有意义，也很有必要。

1 温差半导体发电技术

温差发电是一种绿色环保无污染的发电方式，其具有发电结构简单耐用，无传统发电机运转所带来的噪声，以及使用寿命长的优点。

对于温差半导体发电技术而言，其工作原理可以简述为：通过在2块不同性质的半导体两端设置一个温差，这样在半导体的两端就产生了直流电压。其中温差半导体发电技术的原理主要来源于塞贝克(Seebeck)效应,该效应的解释为：在P型或者N型半导体中,由于热激发的作用比较强,会导致高温端的空穴浓度或者电子浓度比低温端的大,这个跟PN结的特性有关，温度会对PN结的性能产生很大影响。因而在这种浓度梯度的驱动下,空穴或者电子就会由于热扩散的影响,从高温的一端向低温的一端扩散,从而形成一种电势差,这就是塞贝克效应，其原理如图1所示[1]。

图1 温差发电（Seebeck)效应原理图

因此如果我们将P型和N型半导体的热端进行相连,则在冷端便会得到一个电压,进而转换成电能,很显而易见，这是一种新型的绿色发电技术。因此如果我们将很多个这样PN结串连起来以后,就可得到足够高的电压,成为一个温差发电器[2]。由于这样的温差发电机并不像传统的电磁发电机一样，并没有转动部分,在使用过程中也比较可靠，因此在实际中得到越来越广泛的应用。

2 温差半导体发电技术的发展

温差发电技术，自从被发现到现在的广泛应用已经经历了很长的时间。在1821年，Seebeck发现塞贝克效应以来，该效应便为后来的技术发展奠定了理论的基础。在其后很长的一段时间里，由于人们对温差热电材料的认识仅仅局限于金属材料，又因为金属材料的塞贝克系数都较低，对应的热电转换效率还不到0.6%[3]，所以在实际的应用中，温差发电技术一直都未能取得很大进展。一直到了20世纪30年代，半导体技术的研究才取得了非常迅猛的发展，研究者发现半导体热电材料的塞贝克系数可提髙至约100V/K[4]，极大地推动了温差半导体发电技术的进步。

到了20世纪50年代的末期，苏联著名的半导体学家Loffe院士提出了2种或2种以上的半导体形成的固溶体，能使热电转换效应产生数量级的提升[5],这项研究成果为后来的研究者们描绘了新型热电材料的研究前景。再后来，Douglas等特别针对热源动态变化的情况，设计出了多模块交互回路温差发电器，其在相同的热源下，输出功率最大可提高到25%[6]。

如今，国外温差发电技术已经逐步应用在实际当中，并且与我国在这方面也有了一定的合作，在2013年的时候，一家美国军工企业在北京与国内一家能源公司签订了海水温差发电合同，该发电设施建造在我国南方沿海地区。其海水温差发电系统的示意图如图2和图3所示。

其中图2所示的为封闭式海水温差发电系统的示意图，即随着海水深度的变化，由于表层海水受到阳光的照射，吸收能量而使得温度逐渐升高。由于在海平面200 m以下，海水深度比较深，阳光几乎是无法到达的，因此温度又较低。进行海水温差发电时，需抽取表层温度较高的海水，使热交换机内的低沸点液体〈例如氨〉沸腾为蒸气，然后推动发电机发电，再将其导入另一热交换机，使用深层海水将其冷却，如此完成一个循环。

图3所示的为开放式温差发电系统的示意图，即通过将表层海水引入真空状态的蒸发槽中，因低压下，水的沸点极低而沸腾为水蒸气，再引至凝结槽，以深层海水使之凝结为水。在此过程中会在蒸发槽与凝结槽之间因压力差而形成蒸汽流，在其间加上涡轮机即可发电。另外，使用开放式循环系统发电会在凝结槽中形成淡水，可供使用。由于排出的为淡水，这也是它的有利之处。

图2 封闭式海水温差发电系统示意图

图3 开放式温差发电系统示意图

国内对于温差半导体发电技术的研究起步相对较晚，且主要集中于对温差发电材料方面的研究。过去几十年里，在国内众多研究者的努力下，取得了一定的成绩。其中陈金灿课题组从20世纪80年代就开始对温差发电器的基础理论（塞贝克效应）进行研究，其后来又对温差发电器的性能进行了优化分析：通过在一定数学表达式的基础上，研究温差发电器结构参数与不可逆行对半导体温差发电器的性能影响，探讨了给定热源温度热电器输出功率的最佳优化条件，即为了使半导体发电器获得最大的功率输出，负载电阻是不可以随意选择的，取得了很多有意义的成果[7]。

再后来以赵新兵为首的浙江大学的课题组对－FeSi2、Bi2Te3、Zn4Sb3等热电材料行了研究，并且首次采用了快速凝固法制备了－FeSi2，还研究了多种热电材料的掺杂特性，其研究水平也已处于国际前列[8-14]。最后以王为和、张建中为首的天津大学课题组则对微加工进行了深入的研究，提出了热电材料加工的一维纳米线阵列结构[15]，即通过将温差材料制成二维纳米薄膜或一维纳米线，可大幅提高材料的ZT值（无量纲优值，Z为优值，T为温度），因为研究发现，通过降低维数可降低热导率，提高ZT值，进而提高塞贝克系数，提高温差发电的发电效率。

总体来说，我国在微型半导体温差发电技术方面还不是很成熟，大范围的应用还没有实行，但对于小型的温差发电装置，市场上已经有了成品，并且大部分成品都是半导体温差发电片所构成，具有一定的实用性，如图4所示的市场上所销售的温差半导体发电片。

目前国际上已开始将温差发电推向了工业应用的阶段。

图4 市场上所售的温差半导体发电片

3 温差半导体发电技术的应用

温差发电作为一种新型的绿色发电技术，在科学技术日益发展的今天，以及各国能源需求旺盛，生态环境恶劣的情况下，温差发电技术在很多的领域都有应用。

在航空航天方面，正如我们所知道的，航天器常用的供能方式是通过太阳能供电,但这种方式往往只适用于航天器工作在有一定的太阳辐射量的空间中,具有其局限性。因此在太阳能电板无法发挥作用时,同位素温差发电器(RTG,Radio-isotopeThermoelectricgenerator)便成为首选的最佳替代动力源[16]。而我国第一个钚-238同位素电池也已在中国原子能科学研究院诞生了，同位素电池的研制成功填补了我国长期以来在该研究领域的空白，标志着我国在核电源系统研究上迈出了重要的一步。

在社会应用方面，汽车发动机排气所带走的热量占到所消耗的燃料产生热量的40%[17],残余的废气的温度约在800℃左右,因此我们可以利用温差半导体发电技术回收尾气的余热来进行发电。如图5所示[18]，是以李启明为首的团队所研究的尾气余热发电装置。

图（a）是该装置的原理示意图，是由2个吸热气箱和3个冷却水箱相互层叠而成，其中2个气箱的进出口分别通过一个三通连接成为一个整体，冷却水箱的进出口则分别通过一个四通连接为一个整体。吸热气箱和冷水水箱之间夹装热电片组，共4层热电片组。工作的时候，来流尾气经三通后一分为二进入上下2个气箱，出口再经一个三通汇聚成一股排出，而来流冷却水则经过四通后一分为三，分别接入上、中、下3个冷却水箱，出口也是汇成一股返回。尾气与冷却水属逆流形式，有利于整个系统的热量传输以及沿程热电片温度的均匀化；图(c）是实验中所测试的皮卡车，其型号为萨普V系列2.0L排量，其发动机型号为4Q20M，该发动机在2 000～4 500 rpm时可产生95 kW的功率。

图5 回收汽车尾气余热温差发电装置

在最终实际的道路测试过程中，该发电模块的峰值功率可达300 W[19]，可在一定程度上满足车辆正常行驶所需的电力。通过尾气温差发电装置，能够提高能源的利用率，具有很大的实际意义。

在个人生活方面，有一种已经商品化的新型手表,如图6[20]所示的那样，它能仅仅利用人体所提供的热量来作为其电源,利用热电微器件的发电系统将热能转换为电能[21],当手表被戴在人的手腕上经过一段时间稳定后,安装在手表内部的微型发电元件的冷端面的温度约为29℃,热端面的温度约为30℃,在手表的接触面积上,人体能提供的热量大约为50 mW,在经过转换后，也能得到25 mW的电能。

由上可知，温差发电技术可以灵活利用各种不同形式的热能,适用于太阳能、地热能、海洋温差、余热的节能利用,是很有潜力的节能和发电途径,具有广阔的应用前景。因而我国应优先发展该研究方向,以提高能源的利用水平和效率，减轻其他不可再生能源方面的能源压力。

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塔里木大学大学生创新创业训练计划（国家级）项目（201610757050）

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