塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陳宏濤肖愛(ài)玲

塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院

溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀

塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陳宏濤肖愛(ài)玲

塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院

溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)是一種新型的綠色環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，能有效減緩當(dāng)今社會(huì)在能源方面的壓力。近些年以來(lái)，在國(guó)內(nèi)外眾多研究者的努力下，溫差發(fā)電技術(shù)取得了很大的進(jìn)步。最初，由于研究者對(duì)熱電材料的認(rèn)識(shí)不足，且僅限于金屬熱電材料，因此熱電轉(zhuǎn)換效率比較低下。到了20世紀(jì)30年代，由于研究者對(duì)半導(dǎo)體金屬材料的研究深入，推動(dòng)了溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)的極大進(jìn)步。再后來(lái)，Douglas等設(shè)計(jì)出了多模塊交互回路溫差發(fā)電器，使得溫差半導(dǎo)體的輸出功率得到了更大幅度的提升。如今，溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際的生活中廣泛應(yīng)用開(kāi)來(lái)，受到了越來(lái)越多國(guó)家的重視。本文主要介紹了目前國(guó)內(nèi)外在溫差發(fā)電技術(shù)上的一些研究成果以及在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展方向。

溫差半導(dǎo)體；溫差發(fā)電類(lèi)型；研究現(xiàn)狀；應(yīng)用

0 引言

21世紀(jì)全球能源壓力日益加重，各國(guó)都在積極尋求新能源來(lái)減緩國(guó)內(nèi)所面臨的能源壓力，目前而言，世界各國(guó)主要的發(fā)電方式包括火力發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電以及日益增多的核電站等，電力是一個(gè)國(guó)家的重中之重。對(duì)于我國(guó)而言，由于人口眾多，發(fā)展迅速，能源需求比較旺盛，但是目前我國(guó)主要的發(fā)電方式仍是火力發(fā)電和水力發(fā)電。對(duì)于火力發(fā)電而言，其主要利用的是煤炭作為燃料進(jìn)行發(fā)電，能源消耗較大，并且煤炭燃燒所產(chǎn)生的廢氣對(duì)于環(huán)境的污染危害也比較大。因此，發(fā)展其他可替代的新型發(fā)電方式顯得尤為重要。

而溫差發(fā)電技術(shù)，從原理上而言，在發(fā)電過(guò)程中并不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，通過(guò)借助現(xiàn)有的實(shí)際條件進(jìn)行發(fā)電，符合綠色無(wú)污染、可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)。因而大力發(fā)展溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)很有意義，也很有必要。

1 溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)

溫差發(fā)電是一種綠色環(huán)保無(wú)污染的發(fā)電方式，其具有發(fā)電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單耐用，無(wú)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所帶來(lái)的噪聲，以及使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)而言，其工作原理可以簡(jiǎn)述為：通過(guò)在2塊不同性質(zhì)的半導(dǎo)體兩端設(shè)置一個(gè)溫差，這樣在半導(dǎo)體的兩端就產(chǎn)生了直流電壓。其中溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)的原理主要來(lái)源于塞貝克(Seebeck)效應(yīng),該效應(yīng)的解釋為：在P型或者N型半導(dǎo)體中,由于熱激發(fā)的作用比較強(qiáng),會(huì)導(dǎo)致高溫端的空穴濃度或者電子濃度比低溫端的大,這個(gè)跟PN結(jié)的特性有關(guān)，溫度會(huì)對(duì)PN結(jié)的性能產(chǎn)生很大影響。因而在這種濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下,空穴或者電子就會(huì)由于熱擴(kuò)散的影響,從高溫的一端向低溫的一端擴(kuò)散,從而形成一種電勢(shì)差,這就是塞貝克效應(yīng)，其原理如圖1所示[1]。

圖1 溫差發(fā)電（Seebeck)效應(yīng)原理圖

因此如果我們將P型和N型半導(dǎo)體的熱端進(jìn)行相連,則在冷端便會(huì)得到一個(gè)電壓,進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電能,很顯而易見(jiàn)，這是一種新型的綠色發(fā)電技術(shù)。因此如果我們將很多個(gè)這樣PN結(jié)串連起來(lái)以后,就可得到足夠高的電壓,成為一個(gè)溫差發(fā)電器[2]。由于這樣的溫差發(fā)電機(jī)并不像傳統(tǒng)的電磁發(fā)電機(jī)一樣，并沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部分,在使用過(guò)程中也比較可靠，因此在實(shí)際中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2 溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

溫差發(fā)電技術(shù)，自從被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在的廣泛應(yīng)用已經(jīng)經(jīng)歷了很長(zhǎng)的時(shí)間。在1821年，Seebeck發(fā)現(xiàn)塞貝克效應(yīng)以來(lái)，該效應(yīng)便為后來(lái)的技術(shù)發(fā)展奠定了理論的基礎(chǔ)。在其后很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，由于人們對(duì)溫差熱電材料的認(rèn)識(shí)僅僅局限于金屬材料，又因?yàn)榻饘俨牧系娜惪讼禂?shù)都較低，對(duì)應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換效率還不到0.6%[3]，所以在實(shí)際的應(yīng)用中，溫差發(fā)電技術(shù)一直都未能取得很大進(jìn)展。一直到了20世紀(jì)30年代，半導(dǎo)體技術(shù)的研究才取得了非常迅猛的發(fā)展，研究者發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體熱電材料的塞貝克系數(shù)可提髙至約100V/K[4]，極大地推動(dòng)了溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步。

到了20世紀(jì)50年代的末期，蘇聯(lián)著名的半導(dǎo)體學(xué)家Loffe院士提出了2種或2種以上的半導(dǎo)體形成的固溶體，能使熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)產(chǎn)生數(shù)量級(jí)的提升[5],這項(xiàng)研究成果為后來(lái)的研究者們描繪了新型熱電材料的研究前景。再后來(lái)，Douglas等特別針對(duì)熱源動(dòng)態(tài)變化的情況，設(shè)計(jì)出了多模塊交互回路溫差發(fā)電器，其在相同的熱源下，輸出功率最大可提高到25%[6]。

如今，國(guó)外溫差發(fā)電技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用在實(shí)際當(dāng)中，并且與我國(guó)在這方面也有了一定的合作，在2013年的時(shí)候，一家美國(guó)軍工企業(yè)在北京與國(guó)內(nèi)一家能源公司簽訂了海水溫差發(fā)電合同，該發(fā)電設(shè)施建造在我國(guó)南方沿海地區(qū)。其海水溫差發(fā)電系統(tǒng)的示意圖如圖2和圖3所示。

其中圖2所示的為封閉式海水溫差發(fā)電系統(tǒng)的示意圖，即隨著海水深度的變化，由于表層海水受到陽(yáng)光的照射，吸收能量而使得溫度逐漸升高。由于在海平面200 m以下，海水深度比較深，陽(yáng)光幾乎是無(wú)法到達(dá)的，因此溫度又較低。進(jìn)行海水溫差發(fā)電時(shí)，需抽取表層溫度較高的海水，使熱交換機(jī)內(nèi)的低沸點(diǎn)液體〈例如氨〉沸騰為蒸氣，然后推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，再將其導(dǎo)入另一熱交換機(jī)，使用深層海水將其冷卻，如此完成一個(gè)循環(huán)。

圖3所示的為開(kāi)放式溫差發(fā)電系統(tǒng)的示意圖，即通過(guò)將表層海水引入真空狀態(tài)的蒸發(fā)槽中，因低壓下，水的沸點(diǎn)極低而沸騰為水蒸氣，再引至凝結(jié)槽，以深層海水使之凝結(jié)為水。在此過(guò)程中會(huì)在蒸發(fā)槽與凝結(jié)槽之間因壓力差而形成蒸汽流，在其間加上渦輪機(jī)即可發(fā)電。另外，使用開(kāi)放式循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電會(huì)在凝結(jié)槽中形成淡水，可供使用。由于排出的為淡水，這也是它的有利之處。

圖2 封閉式海水溫差發(fā)電系統(tǒng)示意圖

圖3 開(kāi)放式溫差發(fā)電系統(tǒng)示意圖

國(guó)內(nèi)對(duì)于溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，且主要集中于對(duì)溫差發(fā)電材料方面的研究。過(guò)去幾十年里，在國(guó)內(nèi)眾多研究者的努力下，取得了一定的成績(jī)。其中陳金燦課題組從20世紀(jì)80年代就開(kāi)始對(duì)溫差發(fā)電器的基礎(chǔ)理論（塞貝克效應(yīng)）進(jìn)行研究，其后來(lái)又對(duì)溫差發(fā)電器的性能進(jìn)行了優(yōu)化分析：通過(guò)在一定數(shù)學(xué)表達(dá)式的基礎(chǔ)上，研究溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)參數(shù)與不可逆行對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的性能影響，探討了給定熱源溫度熱電器輸出功率的最佳優(yōu)化條件，即為了使半導(dǎo)體發(fā)電器獲得最大的功率輸出，負(fù)載電阻是不可以隨意選擇的，取得了很多有意義的成果[7]。

再后來(lái)以趙新兵為首的浙江大學(xué)的課題組對(duì)－FeSi2、Bi2Te3、Zn4Sb3等熱電材料行了研究，并且首次采用了快速凝固法制備了－FeSi2，還研究了多種熱電材料的摻雜特性，其研究水平也已處于國(guó)際前列[8-14]。最后以王為和、張建中為首的天津大學(xué)課題組則對(duì)微加工進(jìn)行了深入的研究，提出了熱電材料加工的一維納米線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)[15]，即通過(guò)將溫差材料制成二維納米薄膜或一維納米線(xiàn)，可大幅提高材料的ZT值（無(wú)量綱優(yōu)值，Z為優(yōu)值，T為溫度），因?yàn)檠芯堪l(fā)現(xiàn)，通過(guò)降低維數(shù)可降低熱導(dǎo)率，提高ZT值，進(jìn)而提高塞貝克系數(shù)，提高溫差發(fā)電的發(fā)電效率。

總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)在微型半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)方面還不是很成熟，大范圍的應(yīng)用還沒(méi)有實(shí)行，但對(duì)于小型的溫差發(fā)電裝置，市場(chǎng)上已經(jīng)有了成品，并且大部分成品都是半導(dǎo)體溫差發(fā)電片所構(gòu)成，具有一定的實(shí)用性，如圖4所示的市場(chǎng)上所銷(xiāo)售的溫差半導(dǎo)體發(fā)電片。

目前國(guó)際上已開(kāi)始將溫差發(fā)電推向了工業(yè)應(yīng)用的階段。

圖4 市場(chǎng)上所售的溫差半導(dǎo)體發(fā)電片

3 溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

溫差發(fā)電作為一種新型的綠色發(fā)電技術(shù)，在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的今天，以及各國(guó)能源需求旺盛，生態(tài)環(huán)境惡劣的情況下，溫差發(fā)電技術(shù)在很多的領(lǐng)域都有應(yīng)用。

在航空航天方面，正如我們所知道的，航天器常用的供能方式是通過(guò)太陽(yáng)能供電,但這種方式往往只適用于航天器工作在有一定的太陽(yáng)輻射量的空間中,具有其局限性。因此在太陽(yáng)能電板無(wú)法發(fā)揮作用時(shí),同位素溫差發(fā)電器(RTG,Radio-isotopeThermoelectricgenerator)便成為首選的最佳替代動(dòng)力源[16]。而我國(guó)第一個(gè)钚-238同位素電池也已在中國(guó)原子能科學(xué)研究院誕生了，同位素電池的研制成功填補(bǔ)了我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)在該研究領(lǐng)域的空白，標(biāo)志著我國(guó)在核電源系統(tǒng)研究上邁出了重要的一步。

在社會(huì)應(yīng)用方面，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣所帶走的熱量占到所消耗的燃料產(chǎn)生熱量的40%[17],殘余的廢氣的溫度約在800℃左右,因此我們可以利用溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)回收尾氣的余熱來(lái)進(jìn)行發(fā)電。如圖5所示[18]，是以李啟明為首的團(tuán)隊(duì)所研究的尾氣余熱發(fā)電裝置。

圖（a）是該裝置的原理示意圖，是由2個(gè)吸熱氣箱和3個(gè)冷卻水箱相互層疊而成，其中2個(gè)氣箱的進(jìn)出口分別通過(guò)一個(gè)三通連接成為一個(gè)整體，冷卻水箱的進(jìn)出口則分別通過(guò)一個(gè)四通連接為一個(gè)整體。吸熱氣箱和冷水水箱之間夾裝熱電片組，共4層熱電片組。工作的時(shí)候，來(lái)流尾氣經(jīng)三通后一分為二進(jìn)入上下2個(gè)氣箱，出口再經(jīng)一個(gè)三通匯聚成一股排出，而來(lái)流冷卻水則經(jīng)過(guò)四通后一分為三，分別接入上、中、下3個(gè)冷卻水箱，出口也是匯成一股返回。尾氣與冷卻水屬逆流形式，有利于整個(gè)系統(tǒng)的熱量傳輸以及沿程熱電片溫度的均勻化；圖(c）是實(shí)驗(yàn)中所測(cè)試的皮卡車(chē)，其型號(hào)為薩普V系列2.0L排量，其發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為4Q20M，該發(fā)動(dòng)機(jī)在2 000～4 500 rpm時(shí)可產(chǎn)生95 kW的功率。

圖5 回收汽車(chē)尾氣余熱溫差發(fā)電裝置

在最終實(shí)際的道路測(cè)試過(guò)程中，該發(fā)電模塊的峰值功率可達(dá)300 W[19]，可在一定程度上滿(mǎn)足車(chē)輛正常行駛所需的電力。通過(guò)尾氣溫差發(fā)電裝置，能夠提高能源的利用率，具有很大的實(shí)際意義。

在個(gè)人生活方面，有一種已經(jīng)商品化的新型手表,如圖6[20]所示的那樣，它能僅僅利用人體所提供的熱量來(lái)作為其電源,利用熱電微器件的發(fā)電系統(tǒng)將熱能轉(zhuǎn)換為電能[21],當(dāng)手表被戴在人的手腕上經(jīng)過(guò)一段時(shí)間穩(wěn)定后,安裝在手表內(nèi)部的微型發(fā)電元件的冷端面的溫度約為29℃,熱端面的溫度約為30℃,在手表的接觸面積上,人體能提供的熱量大約為50 mW,在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，也能得到25 mW的電能。

由上可知，溫差發(fā)電技術(shù)可以靈活利用各種不同形式的熱能,適用于太陽(yáng)能、地?zé)崮?、海洋溫差、余熱的?jié)能利用,是很有潛力的節(jié)能和發(fā)電途徑,具有廣闊的應(yīng)用前景。因而我國(guó)應(yīng)優(yōu)先發(fā)展該研究方向,以提高能源的利用水平和效率，減輕其他不可再生能源方面的能源壓力。

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塔里木大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（國(guó)家級(jí)）項(xiàng)目（201610757050）

2016-11-15)