溫差發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與展望

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1、蘭蘭蘭蘭蘭蘭l曼星溫差發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與展望口文／黃銀盛，朱冬生一節(jié)能與環(huán)保是21世紀(jì)人類面臨的嚴(yán)重問題。在不斷研發(fā)傳統(tǒng)能源節(jié)能技術(shù)的同時，開發(fā)新能源和充分利用低歙捕品位能源，尋求一種新型、清潔、可靠的可持續(xù)能源系統(tǒng)，便成為世界各1~16t追求目標(biāo)。這使得溫差發(fā)電技術(shù)越來越弓1人注目，該技術(shù)是一種固態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式，利用塞貝克效應(yīng)直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，具有無運動部件、無噪聲、體積小、重量輕、適應(yīng)性強(qiáng)等特點，是綠色環(huán)保的發(fā)電方，可以合理利用太陽能、地?zé)崮?、工業(yè)余熱等低，品位能源。作為一種新型能源利用技術(shù)，半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。一、溫差發(fā)

2、電技術(shù)基本原理溫差電效應(yīng)是德國科學(xué)家塞貝克于1821年首先發(fā)現(xiàn)的，人們稱之為塞貝克(Seebeck)效應(yīng)，即兩種不同的猙墻睜墻金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個接頭存在溫差時，回路中將產(chǎn)魚囊電鼉生電流，這一效應(yīng)為溫差發(fā)電技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。溫差發(fā)電的原理如圖1所示：在P型(N型)半導(dǎo)體圖1溫差發(fā)電原理示意圖中，由于熱激發(fā)作用較強(qiáng)，高溫端的空穴(電子)濃度比低溫端大，因此在這種濃度梯度的驅(qū)動下，空穴(電子)就會從高溫端向低溫端擴(kuò)散，這種電荷的積累就會成電勢二、溫差發(fā)電技術(shù)國外研究進(jìn)展差。將P型和N型半導(dǎo)體的熱端相連，則在冷端可得到一個電壓，這樣一個PN結(jié)就可以利

3、用高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩粗g溫差電技術(shù)的研究起始于20世紀(jì)40年代。最早把溫的溫差將熱量直接轉(zhuǎn)換成電能。將很多個這樣的PN結(jié)串聯(lián)差發(fā)電實用化的是前蘇聯(lián)，他們利用煤油燈或木材燃燒作起來，就可得到足夠高的電壓，成為一個溫差發(fā)電器。為熱源，在邊遠(yuǎn)的地區(qū)給收音機(jī)供電。研究表明。溫差發(fā)堡墮蘭蘭蘭竺蘭蘭蘭i電系統(tǒng)的溫差越大、材料優(yōu)值越高，發(fā)電的效率就越高。地區(qū)的轉(zhuǎn)銷產(chǎn)品，半導(dǎo)體材料基本依靠進(jìn)口。我國在這一自20世紀(jì)60年代以來，一些具有較好熱電性能的材料，如領(lǐng)域目前發(fā)展還不是很快，技術(shù)成熟度低，量產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品Bi2Te3，PbTe，SiGe相繼問世，溫差發(fā)電技術(shù)的

4、應(yīng)用研究原料和核心技術(shù)都受到國外的限制。開始引起人們的高度關(guān)注，并成功地在在航天器上實現(xiàn)了長期發(fā)電?？茖W(xué)家對所有已知的熱電材料進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)Bi—Sb—Te系材料的熱電性能最好，優(yōu)值系數(shù)可達(dá)到1。。．．．如果能把優(yōu)值提高到3以上，則由這種材料制成的溫差電裝▲置可達(dá)到接近于理想卡諾機(jī)的效率。這將在發(fā)電領(lǐng)域引起····一場革命。隨著現(xiàn)代固體物理及其理論的研究與發(fā)展，科學(xué)家們又先后提出了電子晶體、聲子玻璃的材料結(jié)構(gòu)；基于能帶理論的具有量子限域效應(yīng)的量子結(jié)構(gòu)，如超晶格材．．．·料結(jié)構(gòu)等，尤其是其作為遠(yuǎn)程探測器電源的不可替代性，溫差電半導(dǎo)體材料的研究又進(jìn)

5、入了一個新高潮，科技發(fā)達(dá)國家已先后將發(fā)展溫差發(fā)電技術(shù)列入了中長期能源開發(fā)計劃。美國能源部于2003年11月1宣布資助太平洋西北國家實驗室、密西根技術(shù)大學(xué)等單位，重點支持他們在高性能四、溫差發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用熱電材料和應(yīng)用技術(shù)方面的研究，特別是低品位熱源與工業(yè)余熱廢熱的利用。日本近幾年開展了一系列以“固體廢半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)目前主要用于油田、野外、軍事等物燃燒能源回收研究計劃”為題的政府計劃，研究用于固領(lǐng)域。如美國TeledyneInc．開發(fā)的軍用、油田專用發(fā)電機(jī)體廢物焚燒爐的廢熱發(fā)電技術(shù)，將透平機(jī)和溫差發(fā)電機(jī)結(jié)年銷售額超過十億美元。該項目的另一市場化領(lǐng)

6、域在于將合，實現(xiàn)不同規(guī)模垃圾焚燒熱的最大利用。歐洲20余個研發(fā)電裝置用于太陽能、地?zé)?、工業(yè)廢能等的利用，使熱能究機(jī)構(gòu)也已聯(lián)合進(jìn)行了汽車發(fā)動機(jī)余熱發(fā)電方面的預(yù)研，直接轉(zhuǎn)化為電能。在工業(yè)冷卻水和載貨汽車發(fā)動機(jī)的余熱并正在組織“納瓦到兆瓦熱電能量轉(zhuǎn)換”大型科研項目，利用的初步實驗表明：半導(dǎo)體溫差發(fā)電方式是在這種場合并著重開發(fā)小功率電源、傳感器和運用納米技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品下頗具潛力的節(jié)能途徑。此外，半導(dǎo)體發(fā)電模塊體積小，研發(fā)。美國能源部和紐約州能源研究開發(fā)權(quán)利機(jī)構(gòu)開發(fā)的重量輕，便于攜帶，可廣泛用于小家電制造、儀器儀表、汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)，使用20組HZ一20

7、溫差電組件，汽玩具及旅游業(yè)。車時速112公里時，最大溫差174℃，最大輸出功率255W(一)太陽能發(fā)電。2006年，BSST的科學(xué)家和BMW聯(lián)合宣布，商用的汽車太陽能是人類可直接利用的清潔能源之一。在尋找溫差發(fā)電系統(tǒng)將于2013年投入使用。新能源的探索中，太陽能無疑是目前最好的選擇。溫差發(fā)電開辟了利用太陽能的一個新途徑。太陽能溫差發(fā)電技術(shù)溫差發(fā)電技術(shù)國內(nèi)研究進(jìn)展是先通過集熱器將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，再利用塞貝克效應(yīng)(溫差電效應(yīng))將熱能轉(zhuǎn)換為電能。傳統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電國內(nèi)在溫差發(fā)電方面的研究起步相對較晚，主要集中方式都用發(fā)電機(jī)或蒸汽輪機(jī)作原動機(jī)，噪聲很大

8、，并普遍在理論和熱電材料的制備等方面的研究。經(jīng)過近幾年來在造成環(huán)境的變遷與污染。此外，這些帶運動部件的系統(tǒng)都國家自然科學(xué)基金以及國家“8