太陽能溫差發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展

朱冬生，吳紅霞，漆小玲， 周澤廣

（1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200237；2.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院強(qiáng)化傳熱與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640）

隨著能源與環(huán)境問題的日益突出,礦物能源來源枯竭和污染環(huán)境的挑戰(zhàn)，太陽能的熱利用越來越受到人們的重視。太陽能作為一種綠色可再生能源，具有儲(chǔ)量大、利用經(jīng)濟(jì)、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。溫差發(fā)電技術(shù)是利用塞貝克效應(yīng)(Seebeck效應(yīng))直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)，具有無運(yùn)動(dòng)部件、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高等特點(diǎn)，是綠色環(huán)保的發(fā)電方式。將溫差發(fā)電技術(shù)和太陽能集熱技術(shù)結(jié)合起來能夠直接將太陽熱能轉(zhuǎn)化為電能，大大簡(jiǎn)化了發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文介紹了太陽能溫差發(fā)電技術(shù)的原理，回顧了國內(nèi)外的研究進(jìn)展，介紹了自行設(shè)計(jì)的太陽能連續(xù)溫差發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)合國內(nèi)外的研究，提出了應(yīng)對(duì)系統(tǒng)發(fā)電效率低的研究策略，并指出太陽能溫差發(fā)電的應(yīng)用前景廣闊。

1 太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)原理

太陽能溫差發(fā)電是利用塞貝克效應(yīng)將收集到的太陽熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。塞貝克效應(yīng)是利用熱電材料兩端的溫差使材料的載流子發(fā)生運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量形式的轉(zhuǎn)換[1]，如圖1。將P型和N型兩種不同類型的熱電材料（P型是富空穴材料，N型是富電子材料）一端相連形成PN結(jié)，使其一端置于高溫狀態(tài)，另一端處于低溫態(tài)，由于熱激發(fā)作用，P（N）型材料高溫端空穴（電子）濃度高于低溫端，在濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子向低溫端擴(kuò)散，從而形成電動(dòng)勢(shì)，這樣熱電材料就通過高低溫端間的溫差將高溫端輸入的太陽熱能直接轉(zhuǎn)化成電能。

太陽能溫差發(fā)電技術(shù)屬于光-熱-電發(fā)電方式，但又不同于由太陽能集熱器將所吸收的熱能通過傳熱介質(zhì)產(chǎn)生高溫蒸氣后再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電的傳統(tǒng)熱電發(fā)電方式。其系統(tǒng)技術(shù)原理是利用太陽能聚光型集熱器對(duì)溫差熱電轉(zhuǎn)換器的一面進(jìn)行加熱形成熱端，而熱電轉(zhuǎn)換器的另一面通過散熱器冷卻系統(tǒng)形成冷端，這樣兩端就形成了一定的溫差，由于半導(dǎo)體材料的賽貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能向電能的轉(zhuǎn)換，從而可直接給負(fù)載電器供電或把電能用蓄電池儲(chǔ)存起來。

2 太陽能溫差發(fā)電國外研究進(jìn)展

溫差發(fā)電開辟了利用太陽能的一個(gè)新途徑。1922年，Coblentz為了測(cè)量其他星球的紅外輻射，利用第一臺(tái)太陽能溫差發(fā)電裝置進(jìn)行了測(cè)試，因?yàn)楫?dāng)時(shí)系統(tǒng)所用熱電材料的ZT優(yōu)值低（＜0.4），太陽能集熱率和熱端溫度低，所以系統(tǒng)的效率很低(＜1%)[2]。1954年，M．Telkes研發(fā)出由25對(duì)溫差電偶組成的太陽能溫差發(fā)電機(jī)，聚光型的溫差為247℃，效率達(dá)3.35%。前蘇聯(lián)在1960年已經(jīng)研制成功100瓦的實(shí)驗(yàn)性太陽能溫差發(fā)電機(jī)。最近二十幾年，隨著溫差發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步以及新能源漸熱全球，太陽能溫差電發(fā)電技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

1996年Chen計(jì)算了基于平板集熱器的太陽能熱電發(fā)電中的一些基本問題，如轉(zhuǎn)化效率，最大輸出功率，負(fù)載的影響等；H.Naito等使用拋物面鏡開發(fā)了一種太陽能熱電轉(zhuǎn)換器。1998年，Omer等人研究了太陽能熱電發(fā)電中的器件優(yōu)化問題。指出器件的尺寸優(yōu)化對(duì)于提高效率非常重要[3]。2001年，Stevens W J[4]在考慮了熱端板、冷端板熱阻的情況下研究了線性、鋸齒形和正弦溫差分布情況下熱電器件效率的變化。2003年Scherrer H等[5]建立的基于方鈷礦的熱電器件模型，著重考慮了集熱器和散熱器面積與P/N結(jié)面積比對(duì)熱電器件效率的影響。

2004年泰國學(xué)者[6]設(shè)計(jì)了一種利用太陽能溫差發(fā)電的屋頂，用銅板集熱器來吸收太陽輻射能，溫差發(fā)電器的熱端溫度升高，這樣與冷端形成溫度梯度，進(jìn)行溫差發(fā)電。該太陽能溫差電屋頂可以產(chǎn)生1.2 W/m2的電力，可存儲(chǔ)供夜晚使用。2006年，日本學(xué)者Hasebe等利用夏日路面高溫做熱源，熱交換管為集熱器，采用19組溫差電組件，如圖2所示。在熱管管內(nèi)液體流速為0.7 L/min時(shí)，輸出功率3.6 W。Vorobiev Y等[7]研究了串聯(lián)的太陽能光電—熱電復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)在不同的日照條件下的效率變化。

2009年Amen Agbossou等人[8]通過數(shù)學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)了太陽能連續(xù)溫差發(fā)電系統(tǒng)。將相變儲(chǔ)能和溫差發(fā)電相結(jié)合，利用相變材料白天儲(chǔ)存太陽能的熱量，夜晚對(duì)發(fā)電組件提供熱量進(jìn)行連續(xù)發(fā)電。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到熱輻射，系統(tǒng)外部溫度和熱對(duì)流的耦合效應(yīng)對(duì)太陽熱能的獲得有顯著影響。在最優(yōu)化熱阻和環(huán)境條件為風(fēng)速2.5m/s,太陽輻射1200 W/m2,環(huán)境溫度20～30℃下，單個(gè)組件發(fā)電功率可達(dá)到0.8 mW。

2010年R．AMATYA和R．J．RAM[2]通過熱力學(xué)分析預(yù)測(cè)了太陽能溫差發(fā)電器的熱電轉(zhuǎn)換效率，得出在太陽能集熱器聚光比為66時(shí)，商業(yè)Bi2Te3模型的系統(tǒng)效率是3%，輸出功率是1.8 W；使用新型溫差發(fā)電材料N型ErAs∶(InGaAs)1－x-(InAlAs)x和P型材料(AgSbTe)x(PbSnTe)1－x的溫差發(fā)電器在太陽能集熱器聚光比為120時(shí)，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到5.6%。

3 太陽能溫差發(fā)電國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)在溫差發(fā)電方面的研究起步相對(duì)較晚，主要集中在理論和熱電材料的制備等方面的研究，因此國內(nèi)對(duì)太陽能溫差發(fā)電整體系統(tǒng)的研究相對(duì)來說也是比較少。

宋啟鵬等[9]將太陽能熱水器與半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊有機(jī)結(jié)合得到太陽能驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體溫差發(fā)電設(shè)備，并提出太陽能溫差發(fā)電并網(wǎng)的思路。熱水和冷水的溫差能達(dá)到60℃以上，可以達(dá)到溫差發(fā)電條件，輸出功率達(dá)到10 W。陳允成等[10]提出了一種小型半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊，并應(yīng)用于太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)有橫式放置的小焦距拋物柱組合式反射陣面聚光，采用高效的太陽能聚熱裝置將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，然后將熱能供給半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊熱端，冷端采用液氨循環(huán)散熱，產(chǎn)生溫差，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體溫差發(fā)電，其輸出功率約為2 W。倪華良等[11]分析了建設(shè)太陽能溫差發(fā)電站中的成本與收益問題，得出可以通過調(diào)節(jié)溫差電材料用量、導(dǎo)線總長(zhǎng)、冷卻能耗等設(shè)計(jì)參數(shù)，使總成本最小。他們還計(jì)算了輸入功率對(duì)效率的影響，當(dāng)平均效率為50%時(shí)，太陽能溫差發(fā)電站每平方公里每年發(fā)電量可達(dá)8.3×107kWh。林比宏等[12]應(yīng)用非平衡態(tài)熱力學(xué)理論，分析了有限速率傳熱和太陽能集熱器的熱損失對(duì)太陽能驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體溫差發(fā)電器性能的影響，確定發(fā)電器在最大效率時(shí)的優(yōu)化條件，對(duì)系統(tǒng)的主要參數(shù)作了詳細(xì)的討論。

近年來，武漢理工大學(xué)張清杰教授同日本科學(xué)家新野正之合作，提出了將基于高效熱電材料的太陽能熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)與基于光伏電池材料的太陽能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行集成復(fù)合的太陽能熱電―光電復(fù)合發(fā)電技術(shù)的新的科學(xué)構(gòu)想，研制出了國際上第一臺(tái)太陽能熱電―光電復(fù)合發(fā)電的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并試驗(yàn)成功，開辟了太陽能全光譜（200～3000 nm）直接高效發(fā)電技術(shù)的新途徑。其太陽能熱電-光電復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)，如圖3所示，包括聚焦子系統(tǒng)、分光子系統(tǒng)、熱電子系統(tǒng)和廣電子系統(tǒng)。它利用波長(zhǎng)分離器將聚焦后的太陽光在某一波長(zhǎng)處分開，將波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的光用于溫差發(fā)電，波長(zhǎng)比較短的光用于光電發(fā)電，使整個(gè)太陽光譜的光都能充分利用，從而提高太陽能的發(fā)電效率。

電子科技大學(xué)曾葆青等[13]通過對(duì)聚光集熱器、溫差發(fā)電器(集熱板、熱電模塊、水冷卻系統(tǒng))等部分的研究，組裝了一套集熱式太陽能溫差發(fā)電裝置，如圖4所示。在不同太陽輻射功率、不同熱電模塊數(shù)量情況下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得溫差發(fā)電器的輸出功率，在太陽輻射功率880 W／m2時(shí)，可輸出功率約10 W。

武漢理工大學(xué)TIANQI YANG等[14]對(duì)太陽能溫差發(fā)電整體系統(tǒng)進(jìn)行了模擬和優(yōu)化，建立了基于高性能熱電材料的發(fā)電器的三維有限元分析模型，并對(duì)其在不同操作環(huán)境下進(jìn)行了性能分析，得出熱損耗和接觸熱阻對(duì)轉(zhuǎn)換效率有重要影響的結(jié)論，并說明如果忽略熱損耗和接觸熱阻，裝置的效率可達(dá)到9.95%。PENG LI等[15]對(duì)聚光太陽能溫差發(fā)電器的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，建立了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃拖到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)裝置的單元結(jié)構(gòu)如圖5，通過模擬和實(shí)驗(yàn)指出了聚光比和熱電材料冷端散熱方式的選擇對(duì)發(fā)電效率有著重要影響，得出基于熱電材料Bi2Te3、方鈷礦和AgSbPbTe合金的發(fā)電裝置的最高效率分別為9.8%、13.5%、14.1%。

4 太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

目前在多種溫差發(fā)電的應(yīng)用研究中，太陽能溫差發(fā)電處于研發(fā)階段。太陽能溫差發(fā)電熱電轉(zhuǎn)化效率普遍較低，太陽能集熱、溫差發(fā)電模塊的性能和兩者之間的匹配問題限制了其發(fā)展和應(yīng)用。目前，太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)主要存在如下問題：

(1)太陽能集熱器采用的集熱方式效率不高，影響熱端溫度的提高，不能保證穩(wěn)定高效的溫差，從而影響了系統(tǒng)的發(fā)電性能；

(2)溫差發(fā)電器件的內(nèi)阻較大，影響了輸出功率的提高[16]；

(3)溫差發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載電阻與溫差發(fā)電器件內(nèi)阻尚未達(dá)到最佳匹配[17]。

為了解決以上問題，本實(shí)驗(yàn)組自行設(shè)計(jì)并搭建了不需要復(fù)雜的太陽能跟蹤裝置的復(fù)合拋物面聚光集熱器（簡(jiǎn)稱CPC集熱器，下同）太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括太陽能集熱器、溫差發(fā)電器和冷熱源流體循環(huán)三部分。溫差發(fā)電的性能除了與發(fā)電芯片采用熱電材料的優(yōu)值有密切關(guān)系外，還與芯片兩端的溫度及其溫差有重要的關(guān)系。一般的，溫差發(fā)電器的輸出功率與兩端溫差的平方成正比，發(fā)電效率與溫差呈正比。因此，太陽能集熱溫度和溫差發(fā)電器中良好的取熱、散熱設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)獲得高效的發(fā)電性能至關(guān)重要。

4.1 集熱器的選擇

由于非聚光集熱器很難達(dá)到較高的溫度，而拋物面聚光器又需要復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)，價(jià)格昂貴。CPC復(fù)合拋物聚光器是一種非成像低聚焦度的聚光器，它根據(jù)邊緣光線原理設(shè)計(jì)，可將給定接收角范圍內(nèi)的入射光線按理想聚光比收集到接收器上。由于它有較大的接收角，故在運(yùn)行時(shí)不需要連續(xù)跟蹤太陽，只須根據(jù)接收角的大小和收集陽光的小時(shí)數(shù)，每年定期調(diào)整傾角若干次就可有效地工作，因此CPC集熱器有著廣泛的應(yīng)用前景。由于所用溫差發(fā)電芯片是常規(guī)的“三明治”式結(jié)構(gòu)，因此本設(shè)計(jì)采用平板型CPC集熱器，它由2片槽狀拋物線型的拋物反射面和底部的平板接收面組合而成。避免二次換熱，底部的平板直接由具有高導(dǎo)熱系數(shù)的供集熱工質(zhì)循環(huán)的口琴板的上表面涂覆選擇性吸收涂層代替。集熱器四周使用保溫材料保溫，上面和兩側(cè)分別使用透明玻璃板防止熱量散失。

4.2 溫差發(fā)電模塊的匹配

溫差發(fā)電模塊的輸出功率和發(fā)電效率與高溫端溫度，低溫溫度，接觸熱阻等因素密切相關(guān)。研究表明液冷換熱系數(shù)比自然風(fēng)冷散熱大100～1000倍[18]，為了提高傳熱速率，系統(tǒng)使用具有高導(dǎo)熱系數(shù)的口琴板作為冷熱流體的循環(huán)管路，吸收了太陽能熱量的導(dǎo)熱油作為熱流體，常溫自來水作為冷流體。將68塊商用溫差發(fā)電芯片進(jìn)行串聯(lián)組成溫差發(fā)電模塊，利用絕熱橡膠墊使芯片周圍保溫和固定芯片，發(fā)電模塊的冷熱端分別通過高導(dǎo)熱硅膠貼覆在高導(dǎo)熱口琴板表面，然后使用螺絲釘將兩塊口琴板緊緊固定在一起。

4.3 太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)流程

溫差發(fā)電系統(tǒng)是由復(fù)合拋物面(簡(jiǎn)稱CPC)太陽能集熱器、儲(chǔ)能裝置、半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊和散熱冷源耦合而構(gòu)成的，它滿足了發(fā)電模塊發(fā)電所需的溫差條件。圖6為本實(shí)驗(yàn)組提出的溫差源實(shí)現(xiàn)方式。圖中導(dǎo)熱油的熱量由太陽能集熱器得到，溫度達(dá)到90℃以上，常溫自來水溫度一般為20～25℃，所以溫差模塊冷熱兩端的溫差能達(dá)到60℃，可以達(dá)到溫差條件，導(dǎo)熱油和水在導(dǎo)熱系數(shù)較高的口琴板中循環(huán)，因熱交換需要時(shí)間較長(zhǎng)，油和水循環(huán)速度不需要很快，所以圖中微型循環(huán)水泵消耗的功耗很低。因?yàn)閷?dǎo)熱油循環(huán)是密封系統(tǒng)，所以被加熱的導(dǎo)熱油儲(chǔ)存在儲(chǔ)能箱里面，晚上釋放熱量作為溫差發(fā)電模塊的熱源，這樣系統(tǒng)就可以進(jìn)行晝夜連續(xù)發(fā)電。

5 結(jié)論

太陽能半導(dǎo)體溫差發(fā)電具有無噪聲、無污染、穩(wěn)定性好、可靠性高、運(yùn)行壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),是新能源開發(fā)和未來空間動(dòng)力的理想技術(shù)。目前，在太陽能溫差發(fā)電方面雖然取得一些進(jìn)展，但是仍然存在一些有待于解決的問題，結(jié)合國內(nèi)外太陽能溫差發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展可以從以下三方面展開工作：（1）尋找集熱效率高且成本低的太陽能集熱方式。設(shè)計(jì)與溫差發(fā)電模塊相匹配的聚光集熱器，在聚光集熱器上設(shè)置蓋板，減少熱損耗是提高性能的重要途徑。（2）開發(fā)高性能熱電材料，提高溫差發(fā)電模塊的性能。摻雜、準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)、低維化、超晶格結(jié)構(gòu)以及納米技術(shù)均能有效地提高材料熱電性能，因而成為熱電材料的發(fā)展方向。（3）尋找溫差發(fā)電模塊和系統(tǒng)其它部件之間的匹配規(guī)律。可結(jié)合ANSYS有限元仿真對(duì)溫差發(fā)電器進(jìn)行模擬，確定最優(yōu)的物理參數(shù)和幾何參數(shù)，實(shí)現(xiàn)器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)高低溫端實(shí)施合適的熱管理，也是提高發(fā)電效率的重要途徑。

我國太陽能十分豐富，如果借助熱電器件來有效地利用太陽能，把它轉(zhuǎn)化為電能，將產(chǎn)生良性循環(huán)，不僅可以緩解日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，而且必定具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。因此，研究太陽能集熱、溫差發(fā)電模塊的性能以及兩者之間的匹配問題，提高太陽能溫差發(fā)電效率有著非常現(xiàn)實(shí)的意義。

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