太阳能温差发电技术的研究现状

收稿日期：2014－08－31摘要：太阳能温差发电技术作为新兴的绿色环保发电方式，具有结构简单、无噪声、无污染等特点，具有广阔的发展前景。阐述了温差发电的基本原理，介绍了国内外太阳能温差发电研究现状，并结合国内外研究情况提出了太阳能温差发电存在问题。关键词：太阳能；温差发电；发展现状中图分类号：TM913文献标识码：A文章编号：1009－9492(2015)02－0074－06ResearchStatusofSolarThermoelectricGenerationLIYang，ZHENGShao-hua，LIWei-guang（SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510641，China）Abstract:Asanemergingandenvironmental-friendlypowergenerationtechnology，solarthermalpowergenerationtechnologyhasasimplestructure，nonoise，nopollution，andbroadprospectsfordevelopment.Thispaperdescribesthebasicprinciplesofthermalpowergeneration，introducingthecurrentsituationofsolarthermalpowergenerationresearchathomeandabroad.Inthestudyoftheseresearches，problemsofsolarthermalpowergenerationarediscussed.Keywords:solar；thermoelectricpowergeneration；developmentstatus太阳能温差发电技术的研究现状李漾，郑少华，李伟光（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510641）DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.02.0220引言能源与人类的生存密切相关，它是提高人民生活水平，发展世界文明的物质基础。当前世界能源消费以化石资源为主，其中中国等少数国家是以煤炭为主，其他国家大部分则是以石油与天然气为主。根据专家预测，按目前的消耗量，石油、天然气最多只能维持不到半个世纪，煤炭也只能维持一二百年，能源危机迫在眉睫。因此大力发展可再生能源，用可再生能源和原料全面取代化石资源是解决能源危机的重要出路。太阳能作为一种绿色可再生能源，具有储量丰富、清洁环保、分布广泛等特点，是理想的替代能源。温差发电技术是一种基于塞贝克效应（Seebeck效应）的固态能量转换技术，具有结构简单、绿色环保、可靠性高等特点。太阳能温差发电是一种利用太阳能的新型发电方式，据法国调查公司YoleDevelopment研究显示，2012年全球的太阳能电池生产力为33.75GW，其中太阳能温差发电占总量的30%[1]，太阳能温差发电技术发展方兴未艾。1温差发电1.1温差发电基本原理1821年，德国科学家塞贝克发现当把一个由两种不同导体构成的闭合回路放于指南针附近，对该回路某一接点进行加热时，指南针会发生偏转。在随后的研究中发现：由两种不同材料首尾相连构成的闭合回路中，当两个接点存在温差时，回路中会产生的电势差（将热能转变为电能）[2]。这一现象即塞贝克效应（如图1所示）。温差发电利用热点材料的塞贝克效应，将热能直接转换为电能。如图2所示，将P型热电材料（富余空穴材料）和N性热点材料（富电子材料）两端分别用优良导体连接起来，构成一个PN结，也称为PN电偶臂。令PN电偶臂一端受热，一端机电工程技术2015年第44卷第02期研究与开发74散热，即形成热端和冷端。在热激发作用下，PN电偶臂内处于热端的空穴（P型热电材料）和电子（N型热电材料）浓度大于冷端，在这种浓度梯度驱动下，空穴和电子向冷端扩散，从而在PN电偶臂两端形成电势差。单个PN电偶臂形成的电动势很小，因此在实际使用中需将多个PN电偶臂相串联。1.2温差发电器在实际应用中，为了产生尽可能大的温差，通常根据热源的特征、冷端的散热方式设计PN电偶臂的排布。图3为典型的温差发电器结构图，主要包括以下部分：（1）热源；（2）半导体热电器件；（3）绝热层；（4）散热器；（5）电压变化及功率调节。早期温差发电技术主要应用于航天和军事等尖端领域。近年来随着新型热电材料的发展及温差发电器性能的提高，温差发电技术开始在工业和民用产业得到普及。美国的艾维戴尔公司研发了利用汽车发动机废热的温差发电器[3]，它包括35个热点模块，当温度为400K时，发电功率为750W。日本的工业研究所研制成功利用工业废热的温差发电器[4]，当工业熔炉热量为200kW时，发电量可达4kW。日本精工仪器公司研发一款利用人体体温发电的手表[5]，其内部温差发电器在1K温差下可产生20mV的电压。2太阳能温差发电2.1太阳能发电介绍国际能源署（IEA）与2010年5月11日指出[6]，2050年太阳能光伏电池技术和聚光太阳能技术将总共产生9000TW·h电力，约占全球电力需求的25%，减少碳排放60×108t。根据德国研究机构的理想描述，2011年全球能源需求的64%可以由太阳能提供。利用太阳能源替代日益枯竭的化石能源是解决环境、能源危机的重要手段。太阳能发电主要有太阳能光发电和太阳能热发电两种基本方式。太阳能光发电不通过热过程直接将太阳光能转换成电能，主要代表为光伏发电；太阳能热发电则将吸收的太阳辐射热转换成电能。将温差发电技术应用于太阳能热发电中，可以简化发电系统结构，具有广阔的应用前景。2.2太阳能温差发电国外现状1922年，Coblentz研制了第一台太阳能温差图1塞贝克效应原理图2温差发电原理示意图图3温差发电器结构示意图李漾等：太阳能温差发电技术的研究现状研究与开发75发电装置，由于当时采用的热电材料性能较差，系统发电效率很低（1%）[7]。1954年，M．Tel⁃kes研发成功具有25对温差电偶的太阳能温差发电机，其最大温差可达247℃，效率达3.35%。1987年，美国新墨西哥州立大学设计了一台太阳能温差发电器，利用可自动跟踪太阳的反射式镜面将太阳辐射聚焦到与热电元件紧贴的集热器上，从而提高了发电器的发电效率[8]。2004年Maneewan[9]等人利用屋顶太阳能集热器和温差发电模块组成的系统产生电力，驱动一台轴流通风机对温差发电模块冷端进行降温（如图4所示）。他们使用不同功率卤素灯模拟400～-1000W/m2太阳辐射对该系统进行测试。结果表明这种屋顶设计在太阳辐射密度为800W/m2条件下可产生1.2W电能。虽然电能转换效率很低（1%～4%），但该概念促进了太阳能温差发电在民用方面的研究。2009年AmenAgbossou等人[10]提出一种结合温差发电和相变储能进行太阳能发电的新方法。他们利用相变材料储存温差发电模块收集的太阳能热以延长温差发电模块工作时间。Mgbemene[11]等人使用复合抛物面聚光器，加强聚集到温差发电模块的太阳辐射热源，并使用风扇对系统进行冷却。该系统的热电转换效率最大达到3％，费用为$35/Wp，产生热量可用于加热空气和水。2011年，Kraemer[12]等人通过采用纳米材料、优化表面形状尺寸、提高热集中度等方式设计了一种新型平面温差发电模块。在AM1.5G（1kW/m2）光照条件下，该模块发电效率可达4.6%，比之前平面温差发电模块效率高出7～8倍。Karabetoglu[13]等人研究了基于Bi2Te3热电材料的温差发电片在低温（100～375K）情况下的工作性能，实验结果表明该款温差发电片在250K时达到最佳的工作状态，其研究成果有助于Bi2Te3温差发电片在低温下的应用。Hasan[14]等人利用菲涅耳透镜集中太阳辐射并通过油将热量传递至温差发电模块。在菲涅耳透镜为0.09m2，光照强度为705.9W/m2条件下，可以产生1.08W的电能。2014年，Baranowski[15]等人采用热隔离腔提高太阳能吸收器的吸收效率。如图5所示，该隔离腔仅有一个面可透入太阳辐射，其他面将腔内发散的辐射反射到工作平面，从而可以在相对较低的光照强度下得到较高的温度。实验结果表明利用热隔离腔可达到85%的吸收效率，利用该隔离腔的太阳能温差发电系统在250～300个太阳常数条件下可以达到15%的转换效率。2.3太阳能温差发电国内现状国内太阳能温差发电发展较为缓慢，与国外相比相对落后，主要停留在理论及实验的阶段，距离实际商业应用还有一定的距离。欧强[16]等人针对在温差发电器的仿真建模中将其视为常数会严重影响到仿真模型的精确度的问题，提出了一种考虑热电材料的物性参数随温度变化的变物性动态数学模型，并以Bi-Te基热电材料为例，采用有限容积法进行了一系列的动态性能分析试验。宋琳[1]分别利用强聚焦飞秒激光脉冲和飞秒激光等离子体细丝在金属铝表面进行宽光谱高吸收功能微纳米结构的制备研究。测试结果表明两种制备方法制备的各种尺寸形貌的微结构均能有效提高太阳能热电发电功率，提高倍数为3～19倍。张宇锋[17]等人分析太阳能和热电模图4太阳能温差发电屋顶示意图图5隔离腔示意图机电工程技术2015年第44卷第02期研究与开发76块复合系统的热力学特性，构建了包含反射、辐射和对流等热损耗的理论模型。根据各模块间的耦合特点，建立了复合系统的整体优化模型，并研究了几类商业化太阳能电池和热电材料所构成的复合系统。其研究成果对复合系统的设计与优化有指导意义。李应林[18]等人设计了一种太阳能辅助小温差热发电系统。该系统以工业废热作为第一级热源、太阳能集热器作为第二级热源，循环工质在热源中蒸发并过热后，在汽轮机中膨胀做功，从而驱动电机发电。在循环工质为R717，循环工质蒸发侧相变温度为60℃、冷凝侧相变温度为27℃的条件下，此太阳能辅助小温差热发电系统的总的发电效率可达7.15%。张明[19]等人通过将温差发电模块加入到太阳能真空集热管中从而实现发电和加热水两项功能。图6为该真空集热管的结构，集热管中的选择性吸收器吸收太阳热能并通过传热翅片将热量传递到热管中，热管加热温差发电模块的热端。水套中冷水冷却温差发电模块冷端，同时产生热水。该温差发电器在温差发电模块优值ZT为1，太阳辐射强度、风速、环境温度、水温分别为1000W/m2，1.3m/s，25℃和25℃条件下，其热量收集效率、发电量和转换效率分别为47.54%，64.80W和1.59%。利用该温差发电器可以在一天内得到0.19kW的电量及300L的55℃热水。中国科学技术大学何伟[20]等人针对太阳能热管/温差模块在特定太阳辐射、环境温度、水温度、几何参数、热电参数下的热电性能建立了数学模型。并通过图7所示系统对模型模拟结果的正确性进行了验证。在水温为45℃、太阳辐射强度为600W/m2条件下，该模块的热量收集效率为55%，热电转换效率大于1%。2.4太阳能温差发电存在问题太阳能温差发电作为一种绿色能源方式，正在得到越来越多的关注。同时其在利用中存在的一些问题也随之暴露出来，主要有以下两点。（1）发电效率低产业化的Bi2Te3基温差电材料在理想工作状态下最大发电效率接近10%，在实际应用中由于工作环境、系统损耗等因素的限制，发电效率还要远远低于最大发电效率，太阳能温差发电效率在现阶段与光伏发电相比还有较大差距。造成太阳能温差发电效率较低的原因主要有热电材料性能不理想和发电器匹配不当两方面。热电材料的性能直接决定了热电器件的性能优劣。优值ZT是衡量热电材料性能最重要的参数。ZT值越高，材料的热电性能越好，能量转换（a）带有温差发电模块的玻璃管（b）集热管横截面示意图（c）真空管顶部部分：外管、内管、热管图6带有温差发电模块的真空集热管结构图图7太阳能温差发电系统结构示意图李漾等：太阳能温差发电技