太阳能温差发电技术的研究进展及现状

太阳能温差发电技术的研究进展及现状朱冬生王长宏（1、华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东广州，510640）摘要：太阳能温差发电技术是一种绿色环保的发电方式，它结合相变储能技术，利用太阳能直接发电，形成先进高效的太阳能温差芯片连续发电储热系统。与光伏发电技术和热发电技术相比，具有使用寿命长、小型化、分散、适应性强、成本低及可进行昼夜连续发电等优点。本文介绍了太阳能温差发电技术的原理，回顾了温差发电技术的研究进展及现状，对温差发电中存在的发电效率低、芯片使用寿命短、可靠性不高等问题进行了分析，并提出了解决的办法。同时指出随着热电材料性能的提高，温差发电技术的优势更加明显，应用前景广阔。关键字：温差发电；热电材料；发电效率；可靠性ResearchprogressofsolarenergypowerthermoelectricgenerationtechnologyZHUDongsheng(EducationalMinistry’sKeyLabofEnhancedHeatTransferandEnergyConservation,SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,P.R.China)Abstract:Thermoelectricgenerationisanenvironment-friendlysourcewhichcanrationallymakeuseoflow-gradewasteheatenergysuchassolarpower,geothermalenergyandindustrialwasteheatandsoon,forgeneratingelectricalenergy.Theprincipleofthermoelectricgenerationispresented,andtheresearchsituationatbothhomeandabroadisintroducedinthispaper.Theexistedproblemssuchasthelowconversionefficiencyandtheshortlifetimeandthereliabilityofthethermoelectricmoduleareanalyzedindetail.Thenthecommonsolutionsoftheseproblemsarepresented.Oneconclusionismadethatwiththeimprovementofthethermoelectricmaterials’performance,thermoelectricgenerationwillhavebroadprospects.Keyword:thermoelectricgeneration;thermoelectricmaterial;TEGconversionefficiency,reliability随着能源与环境问题的日益突出,公众环保意识的增强,特别是温室效应问题,世界各国为寻求能源安全和人类社会可持续发展，将战略目光转向可再生能源的开发。温差芯片发电技术是一种直接将热能转化为电能的发电技术,具有无运动部件、体积小、重量轻、移动方便和可靠性高等特点,是绿色环保的发电方式。美国、日本、欧盟等发达国家重视温差发电技术在民用领域的研究，并取得了长足的进展。国内温差发电方面的研究起步较晚，主要集中在发电器理论和热电材料制备方面的研究，旨在为温差发电器的优化提供理论指导和制备性能优良的热电材料，虽然我国是世界上最大的半导体热电器件输出国，但是在温差发电器综合设计和应用方面的研究还很欠缺，因此研究温差发电有着非常现实的意义。新型太阳能温差芯片发电系统采用相变储能技术，它利用太阳能直接发电，发电装置本身没有运动部件，与光伏发电技术和热发电技术相比，具有使用寿命长、小型化、分散、适应性强、成本低等优点，而其显著特点是可进行昼夜连续发电，将半导体温差芯片发电系统与相变储能系统相结合，形成先进高效的太阳能温差芯片连续发电储热系统，对太阳能热发电技术的进一步完善具有重要意义，可产生巨大的社会和经济效益。本文介绍了太阳能温差发电技术的原理，回顾了温差发电技术的研究进展及现状，以常见的商用芯片为例，对温差发电中存在的发电效率低、芯片使用寿命短、可靠性不高等问题进行了分析，并提出了应对策略。随着热电材料性能的提高，温差发电应用前景广阔。1.工作原理温差发电是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种发电技术，将P型和N型两种不同类型的热电材料（P型是富余空穴材料，N型是富电子材料）一端相连形成一个PN结，如图1，置于高温状态，另一端给予低温，则由于热激发作用，P（N）型材料高温端空穴（电子）浓度高于低温端，因此在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就开始向低温端扩散，从而形成电动势，这样热电材料就完成了将高低温端间的温差直接转化成电能的过程。单独的一个PN结，可形成的电动势很小，而如果将很多这样的PN结串联起来，就可以得到足够高的电压，成为一个温差发电器。图1温差发电原理示意图Fig1.Schematicdiagramoftheprincipleofthernoelectricgeneration(a)白天发电(b)夜间发电A-槽式集热器；B-玻璃管道，C-温差芯片；D-储能材料；E-温差芯片；F-玻璃管道图2太阳能连续温差发电装置示意图Fig2.Schematicdiagramofsolarenergythermoelectricgeneration太阳能温差芯片连续发电系统如图2所示，由槽式集热器A，玻璃管道B，温差芯片C，储能材料D，温差芯片组E，玻璃管道F组成。管道B和F接通风管道风机，关闭时保温，打开时分别冷却温差芯片组C的下端面板和芯片组E的上端面板。白天玻璃管道B封闭保温，让温差芯片C下端面板吸热，C上端面板散热给储能材料D，储能材料给温差芯片组E的下端面板供热，温差芯片组E的上端面板散热给管道F空气环境。白天BCDEF温度逐渐降低，形成C和E2组温差芯片发电；晚上玻璃管道B通空气，让温差芯片C下端面板散热，储能材料D给温差芯片组C上端面板和温差芯片组E下端面板供热，温差芯片组E的上端面板散热给管道F空气环境。夜间DCB与DEF温度逐渐降低，也形成C和E2组温差芯片发电。通过自动控制系统，检测ABCDEFG温度，分析储能材料D玻璃管道BF和环境空气G的温差，来确定管道玻璃管道B和F抽真空保温，还是通冷却空气，确保温差芯片C和E发电所需要两端温差条件。新型太阳能温差芯片发电系统采用相变储能技术，它利用太阳能直接发电，发电装置本身没有运动部件，与光伏发电技术和热发电技术相比，具有使用寿命长、小型化、分散、适应性强、成本低等优点，而其显著特点是可进行昼夜连续发电，将半导体温差芯片发电系统与相变储能系统相结合，形成先进高效的太阳能温差芯片连续发电储热系统2.温差发电技术的研究进展2.1国外研究进展自1821年Seebeck发现塞贝克效应以来，国外对温差发电进行了大量的研究，1947年，第一台温差发电器问世，效率仅为1.5%[1]。1953年，Loffe院士研究小组成功研制出利用煤油灯、拖拉机热量作热源的温差发电装置，在用电困难地区作小功率电源之用[2]。20世纪60年代，一些具有较好热电性能的材料，如Bi2Te3,PbTe,SiGe相继问世，温差发电的研究热潮达到高峰，特别是前苏联和美国，由于国防、军事等特殊行业的推动，温差发电技术的应用发展迅速。到二十世纪六十年代末，前苏联先后制造了1000多个放射性同位素温差发电器（RTG），广泛用于灯塔和导航标识，其平均使用寿命超过10年，可稳定提供7～30V，80W的功率[3]。美国也不甘落后，其开发的RTG输出功率为2.7～300W,最长工作时间已超30年。1961年6月美国SNAP-3A能源系统投入使用，输出功率为2.7W，发电效率5.1%[4]。1977年发射的木星、土星探测器上使用的RTG，输出功率已达到155W.20世纪80年代初，美国又完成了500～1000W军用温差发电机的研制，并于80年代末正式进入部队PN冷端冷端热源I热端装备[1]。随着能源危机和环境污染的加剧,人们开始关注温差发电在废余热利用中的价值，很多国家已将发展温差电技术列为中长期能源开发计划。日本开展了一系列以“固体废物燃烧能源回收研究计划”为题的政府计划，研究用于固体废物焚烧炉的废热发电技术，将透平机和温差发电机结合，实现不同规模垃圾焚烧热的最大利用[5]。2003年11月美国能源部宣布资助太平洋西北国家实验室、密西根技术大学等单位，重点支持他们在高性能热电材料和应用技术方面的研究，特别是工业余热废热的利用[6]。近年来，对低品位热源的利用成为温差发电技术研究的大方向。Maneewan等[7]利用置于屋顶的钢板吸收太阳能集热升温与环境之间的温差发电，带动轴流风机引导屋顶空气自然对流，从而给屋顶降温。Rida等[8]将温差发电器热端与该国一种做饭的火炉外壁连接，冷端置于空气中，利用炉壁高温与环境的温差来发电，输出功率达4.2W。Hasebe等[9]利用夏日路面高温做热源，热交换管为集热器，采用19组发电模块，在热管管内液体流速为0.7L/min时，输出功率3.6W。Ikoma等[10]在汽车发动机上安装72组SiGe材料温差发电模块，最大温差123℃，最大输出功率86.4W。Thacher等[11]在美国能源部和纽约州能源研究开发权利机构资助下开发的汽车尾气余热发电系统，使用20组HZ-20热电模块，热电材料为Bi-Te基材料，汽车时速112公里时，最大温差173.72℃，最大输出功率255.1W。2006年，BSST的科学家和BMW联合宣布，商用的汽车温差发电器将于2013年投入使用。Douglas等[12]针对热源动态变化情况，设计出多模块交互回路温差发电器，较单一模块温差发电器，在相同热源下，输出功率最大提高25%。2.2国内研究进展国内在温差发电方面的研究起步相对较晚，主要集中在理论和热电材料的制备等方面的研究。陈金灿课题组从20世纪80年代开始对温差发电器的基础理论进行研究，对温差发电器的性能进行优化分析，得到很多有意义的成果[13-18]。屈健等[19]研究了不可逆情况下发电器的输出功率和效率随外部条件的性能变化规律。李玉东等[20]提出从火用的角度对低温差下发电器的工作性能进行分析。贾磊等[21]提出低温及大温差工况下汤姆逊热对输出功率的影响不可忽略的观点。贾阳等[22]建立温差发电器热电耦合分析模型,以数值计算的方法分析了热电材料物性参数及其变化对发电器工作特性的影响,得出结论：材料的导热系数、电阻率及塞贝克系数对发电器转换效率的影响均为非线性规律,其中导热系数的影响最明显。任德鹏等[23]分析了温差发电器的热环境、回路中负载电阻等参数及温差电单体对的连接方式对发电器工作性能的影响，得出提高温差发电器热端加热热流或增加冷端的换热系数均能提高发电器的输出功率及热电转换效率的结论。苏景芳[24]研究了系统与环境，系统与系统之间的热流关系，对系统的性能特性作出优化，建立温差发电器优化设计模型，同时以VB6.0(MicrosoftVisualBasic6.0)语言作为开发工具,ActiveX数据对象访问数据库,编写了温差发电器设计软件。钱卫强[25]通过对低品位热源半导体小温差发电器性能的研究，总结了电动势、内阻及输出功率等参数随外电路、温度、发电片几何尺寸等因素的变化规律，另外研究了串、并联情况下发电模块的性能。李伟江[26]从非平衡热力学角度出发，建立单层多电偶发电器在低温差下稳定工作的模型。研究温差发电器在内部结构和外部换热条件变化情况下的运行规律，与实验相结合，得出：最佳匹配系数下，输出功率和发电效率均随最大温差近似呈线性变化，同时指出解决发电效