中国气候变化信息网

温差发电 变废为宝

“温差发电将热能直接转化为电能，只有微小温差存在的情况下也能应用，是适用范围很广的绿色环保型能源——它甚至能利用人的体热，为各种便携式设备供电，真正做到‘变废为宝’。”华东理工大学机械工程学院涂善东教授、栾伟玲副教授认为，温差电技术正重新成为全球研究的热点，值得我国科学技术研究部门的重视。

就温差电技术的机理、该领域最新研究进展、进行推广应用的紧迫性和当前可能取得进展的突破点等问题，两位从事能源材料与设备技术研究的专家接受了本报记者的专访。

Ｓｅｅｂｅｃｋ效应

“温差发电通过热电转换材料得以实现，而检定热电转换材料的标志，在于它的三个基本效应：Ｐｅｌｔｉｅｒ 效应、Ｓｅｅｂｅｃｋ效应和Ｔｈｏｍｓｏｎ效应。”栾伟玲副教授说，正是这三个效应，奠定了热力学中热电理论的基础，也为热电转换材料的实际应用展示了广阔前景。其中，Ｓｅｅｂｅｃｋ效应是温差发电的基础。

１８２１年，德国人Ｓｅｅｂｅｃｋ发现，在两种不同金属（锑与铜）构成的回路中，如果两个接头处存在温度差，其周围就会出现磁场，又通过进一步实验发现回路中存在电动势。这一效应的发现，为测温热电偶、温差发电和温差电传感器的制作奠定了基础。

栾伟玲介绍，热电转换材料直接将热能转化为电能，是一种全固态能量转换方式，无需化学反应或流体介质，因而在发电过程中具有无噪音、无磨损、无介质泄漏、体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长等优点，在军用电池、远程空间探测器、远距离通讯与导航、微电子等特殊应用领域具有“无可替代”的地位。在２１世纪全球环境和能源条件恶化、燃料电池又难以进入实际应用的情况下，温差电技术更成为引人注目的研究方向。

栾伟玲描述了温差发电的工作原理说，将两种不同类型的热电转换材料Ｎ和Ｐ的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温时，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差；如果将许多对Ｐ型和Ｎ型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，形成一个温差发电机。

众多应用

据介绍，温差电技术研究始于２０世纪４０年代，于２０世纪６０年代达到高峰，并成功地在航天器上实现了长时发电。当时美国能源部的空间与防御动力系统办公室给出鉴定称，“温差发电已被证明为性能可靠、维修少、可在极端恶劣环境下长时间工作的动力技术”。近几年来，温差发电机不仅在军事和高科技方面，而且在民用方面也表现出了良好的应用前景。

涂善东教授介绍说，在远程空间探索方面，人们从上个世纪中叶以来不断将目标投向更远的星球、甚至是太阳系以外的远程空间，这些环境中太阳能电池很难发挥作用，而热源稳定、结构紧凑、性能可靠、寿命长的放射性同位素温差发电系统则成为理想的选择。因为一枚硬币大小的放射性同位素热源，就能提供长达２０年以上的连续不断的电能，从而大大减轻了航天器的负载，这项技术已先后在阿波罗登月舱、先锋者、海盗、旅行者、伽利略和尤利西斯号宇宙飞船上得到使用。

放射性同位素发电机在军事方面的应用也不可小视。早在２０世纪８０年代初，美国就完成了５００Ｗ～１０００Ｗ军用温差发电机的研制，并于８０年代末正式列入部队装备，放在深海中为美国导弹定位系统网络的组成部分——无线电信号转发系统供电。１９９９年，美国能源部又启动了“能源收获科学与技术项目”，研究利用温差发电模块，将士兵的体热收集起来用于电池充电。

此外，体积小、重量轻、无振动、无噪音的优点还使温差发电机非常适合用作小于５Ｗ的小功率电源，用于各种无人监视的传感器、微小短程通讯装置以及医学和生理学研究仪器——目前，相关产品已进入实用阶段。最近，基于热电转换材料的Ｓｅｅｂｅｃｋ效应，科学家还研制成功许多新型的温差电传感器，用于低温温度测量、单像素红外线和Ｘ射线探测、氢气和其他可燃气体泄漏检测等。

在最吸引人的“变废为宝”方面，由于原料费用几近为零、运行成本很低，温差发电完全可以实现与现存发电方式的商业竞争。看到这一前景，日本、美国近几年来开展了一系列低品位热和废热、余热资源的利用项目。利用热源遍及化工厂、钢铁工业、水泥工业、造纸业、石油冶炼业等行业产生的工业余热，富含有机可燃物、“资源效益”极为可观的垃圾焚烧热，在汽车尾气、冷却水、润滑油和热辐射中散失的汽车余热，太阳辐射热、海洋温差热、地热等自然热，以及其它分散热源例如沐浴剩余水的余热、家用取暖炉的散热等。

提高效率

虽然温差发电已有诸多应用，但长久以来受热电转换效率和较大成本的限制，温差电技术向工业和民用产业的普及受到很大制约。虽然最近几年随着能源与环境危机的日渐突出，以及一批高性能热电转换材料的开发成功，温差电技术的研究又重新成为热点，但突破的希望还是在于转换效率的稳定提高。

栾伟玲介绍，前苏联１９４２年研制成功最早的温差发电机，发电效率只有１．５％～２％，目前开发的温差发电机，效率也普遍处于６％～１１％之间，这大大限制其使用范围。这种情况下，通过对热电转换材料的深入研究和新材料的开发，不断提高热电性能，争取在热源不变的情况下提高电输出功率已成为温差电技术研究的核心内容。

涂善东表示，当前科技发达国家已先后将发展温差电技术列入中长期能源开发计划。其中美国倾向于军事、航天和高科技领域的应用，日本在废热利用方面居于世界领先地位，欧盟则着重小功率电源、传感器和运用纳米技术进行产品开发。我国在半导体热电制冷的理论和应用研究方面具有一定实力，但温差电研究尚处起步阶段，必须迅速加大开发力度，尽快实现温差电技术产业化，具体的突破点则可定在小型温差电传感器和工业及垃圾焚烧发电两个方面。

涂善东说，随着温差电领域研究的不断深入，最近出现了许多新的概念和应用实例，包括高能量密度温差发电模块、热电共生系统、加热循环热电燃烧系统等。随着热电性能的进一步提高、制造技术的逐步成熟，人类逐渐解决能源危机，消除能源使用所带来的环境污染，将不再只是梦想。

来源：科学时报
作者：刘英楠
2004.09.07