半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)應(yīng)用及研究綜述

晏維，邱國躍，袁旭峰,2

(1.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽550025；2.貴州電網(wǎng)公司博士后工作站，貴州貴陽550002)

半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)應(yīng)用及研究綜述

晏維1，邱國躍1，袁旭峰1,2

(1.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽550025；2.貴州電網(wǎng)公司博士后工作站，貴州貴陽550002)

半導(dǎo)體溫差發(fā)電直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能，具有無污染、結(jié)構(gòu)緊湊、無旋轉(zhuǎn)部件、無噪聲、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的節(jié)能環(huán)保發(fā)電技術(shù)，可將地?zé)崮?、太陽能、工業(yè)及生活余熱廢熱、汽車尾氣廢熱等低品位熱能轉(zhuǎn)化為電能，提高能源利用率。介紹了半導(dǎo)體溫差發(fā)電的原理、應(yīng)用領(lǐng)域及研究狀況，總結(jié)了半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)存在的問題，分析了提高半導(dǎo)體溫差發(fā)電效率的關(guān)鍵技術(shù)及未來的研究方向。

溫差發(fā)電；余熱回收；發(fā)電效率；半導(dǎo)體

隨著世界經(jīng)濟(jì)增長，電力需求越來越大，能源短缺問題也日漸突出，人們逐漸將目光投向風(fēng)能、太陽能等新能源，希望改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。然而在現(xiàn)有的能源系統(tǒng)中，超過50%以上的能量都是以廢熱的形式散失到周圍環(huán)境中。隨著我國工業(yè)化的高速發(fā)展，每天都產(chǎn)生大量的工業(yè)廢熱和余熱，直接將這些廢熱排向大氣，不僅嚴(yán)重污染環(huán)境，造成溫室效應(yīng)，引起酸雨等自然災(zāi)害，還造成能源的極大浪費(fèi)。美國能源部的一個(gè)報(bào)告指出，每年美國工業(yè)產(chǎn)生的廢熱相當(dāng)于500萬美國人一年的能源消耗量，全球每年都要耗費(fèi)上百億美元來處理廢熱余熱[1]。我國具有相當(dāng)豐富的廢熱蘊(yùn)藏量，其中地?zé)崽N(yùn)藏量近4.4×1030J，折合成電量為6.74 GW，相當(dāng)于我國3年所需的電量[2]。半導(dǎo)體溫差發(fā)電直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，不僅能有效利用自然界中的地?zé)崮堋⒑Ｑ鬅崮?、太陽能等非污染能源，還可對工業(yè)及生活中所產(chǎn)生的大量余熱廢熱進(jìn)行回收，從而提高能源利用率、改善能源結(jié)構(gòu)和保護(hù)環(huán)境，是一種新型的綠色環(huán)保發(fā)電技術(shù)，具有良好的綜合社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[3]。

1 溫差發(fā)電原理

溫差發(fā)電的基本原理是熱電材料的塞貝克效應(yīng)：處在溫差環(huán)境中的兩種具有不同自由電子密度(或載流子密度)的金屬導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)相互接觸時(shí)，接觸面上的電子從高濃度向低濃度擴(kuò)散，且電子的擴(kuò)散速率與接觸區(qū)的溫度差成正比。因此，只要保持兩接觸導(dǎo)體間的溫差，電子就能持續(xù)擴(kuò)散，兩導(dǎo)體另兩個(gè)端點(diǎn)之間就會(huì)形成穩(wěn)定的電壓[4]，如圖1所示。

兩導(dǎo)體間的電壓計(jì)算公式為：

式中：ΔU為溫差電動(dòng)勢；α為賽貝克系數(shù)；ΔT為兩端溫差。

根據(jù)塞貝克效應(yīng)，將P型(富空穴)和N型(富電子)兩種熱電材料一端連接形成一個(gè)PN結(jié)，將PN結(jié)置于冷、熱源之間，使之處于溫差環(huán)境中，如圖2所示。由于熱激發(fā)作用，P(N)型材料熱源端空穴(電子)濃度高于冷端，在空穴(電子)濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子從熱源端向冷端擴(kuò)散，從而形成電動(dòng)勢，電勢之間連接負(fù)載即可產(chǎn)生電流，這樣熱電材料就通過冷、熱源之間的溫差完成了將熱源端的熱能直接轉(zhuǎn)化成電能的過程[5]。一個(gè)PN結(jié)形成的電動(dòng)勢很小，將很多這樣的PN結(jié)組合成溫差發(fā)電器便可得到足夠高的電壓。

圖1 塞貝克效應(yīng)示意圖

圖2 溫差發(fā)電原理圖

2 半導(dǎo)體溫差發(fā)電應(yīng)用及研究

2.1 航天與軍事領(lǐng)域

雖然早在19世紀(jì)就發(fā)現(xiàn)了塞貝克效應(yīng)，但溫差發(fā)電技術(shù)的研究卻始于20世紀(jì)40年代，第一臺溫差發(fā)電器發(fā)電效率僅為1.5%[6]，由于具有結(jié)構(gòu)簡單、無噪聲、無運(yùn)動(dòng)部件、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，20世紀(jì)60年代溫差發(fā)電首先應(yīng)用在航空、軍事等領(lǐng)域。前蘇聯(lián)和美國首先研制并應(yīng)用于衛(wèi)星及探測器電源、導(dǎo)航標(biāo)識等[7]，利用環(huán)境微小溫差發(fā)電的微型發(fā)電裝置，可為衛(wèi)星信號傳感、儲(chǔ)存運(yùn)算和無線發(fā)送提供穩(wěn)定持續(xù)的電能。

2.2 交通領(lǐng)域

隨著納米技術(shù)和先進(jìn)材料合成技術(shù)的發(fā)展，熱電材料的無量綱熱電優(yōu)值不斷提高，溫差發(fā)電技術(shù)逐漸在民用領(lǐng)域展露頭腳，尤其在汽車、船舶等交通領(lǐng)域。寶馬公司與Amerigon、福特公司簽訂的一千萬美元的溫差發(fā)電器合作項(xiàng)目中，溫差發(fā)電系統(tǒng)在測試中超過700 W的功率輸出，安裝在寶馬X6和林肯MKT上的溫差發(fā)電系統(tǒng)，在道路測試中獲得超過450 W功率輸出[8]；在國內(nèi)董桂田教授最早進(jìn)行汽車尾氣余熱研究，以解放牌汽車CA141為平臺進(jìn)行了尾氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)的研究，該車發(fā)電機(jī)輸出功率為350 W，額定電壓14 V，額定電流25 A[9]。文獻(xiàn)[10-14]在基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電在發(fā)動(dòng)機(jī)能量回收中的應(yīng)用研究做了大量實(shí)際工作，推動(dòng)了國內(nèi)溫差發(fā)電技術(shù)在汽車尾氣廢熱回收中的應(yīng)用；在船舶上的應(yīng)用研究還處在理論階段，文獻(xiàn)[15]通過實(shí)際建模計(jì)算，對溫差發(fā)電在船舶上低溫余熱有效利用做了可行性研究，對未來應(yīng)用在船舶上的余熱發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性分析具有一定的指導(dǎo)意義。

2.3 工業(yè)廢熱余熱回收及發(fā)電領(lǐng)域

溫差發(fā)電技術(shù)在工業(yè)廢熱余熱回收利用方面具有很大潛力，不僅節(jié)能環(huán)保、提高能源利用率，還可為企業(yè)節(jié)約燃料成本、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)外在火電廠排煙及汽輪機(jī)排汽余熱回收、煤爐余熱回收等方面展開大量的研究工作。日、美等發(fā)達(dá)國家近年圍繞廢熱、余熱等低品位熱能的利用開展了許多項(xiàng)目，如日本政府開展的“固體廢物燃燒能源回收研究計(jì)劃”，將溫差發(fā)電裝置安裝在垃圾焚燒爐上發(fā)電，不僅解決大量垃圾問題，還有效利用焚燒垃圾所產(chǎn)生的熱量，達(dá)到廢熱合理利用的效果[16]。

國內(nèi)在發(fā)電領(lǐng)域的研究起步較晚，還沒有實(shí)際應(yīng)用，但有許多學(xué)者已在理論研究方面做了很多工作。文獻(xiàn)[17-18]從效率和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性兩方面分析，提出將火電廠鍋爐與溫差發(fā)電器結(jié)合的可行方案，提高火電廠能源利用率；文獻(xiàn)[19]指出將溫差發(fā)電器裝在電鍛煤爐煙囪，對高溫的煙囪進(jìn)行能量回收，不僅用于照明還可補(bǔ)充電鍛煤爐的電量，從而減少耗電量，對今后工業(yè)廢熱、余熱回收利用具有指導(dǎo)意義?；诖罅康睦碚撗芯?，下一步在工業(yè)中展開實(shí)際應(yīng)用研究并逐漸推廣，結(jié)合國外經(jīng)驗(yàn)，溫差發(fā)電技術(shù)將在我國工業(yè)廢熱回收方面發(fā)揮其功效。

2.4 其他領(lǐng)域

半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置只要有溫差存在即可發(fā)電，且方便攜帶。因此，在用電困難的高原氣象站、邊遠(yuǎn)山區(qū)、邊防哨所等地，可利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電作照明電源之用；在穿越荒涼地區(qū)的天然氣和石油輸運(yùn)管道，使用燃油或天然氣燃燒熱，溫差發(fā)電裝置作為金屬管道的陰極保護(hù)電源和油氣輸運(yùn)狀態(tài)的檢測、通信、控制系統(tǒng)的電源等。

3 半導(dǎo)體溫差發(fā)電存在的問題及關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前，半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)面臨的最大問題是其熱電轉(zhuǎn)換效率很低，只有5%～7%[5]，遠(yuǎn)低于水電、火電、核電、風(fēng)電、光電等發(fā)電方式，由式(1)可知，半導(dǎo)體溫差發(fā)電的發(fā)電量由溫差和熱電材料的賽貝克系數(shù)決定。因此，目前的研究主要圍繞這兩個(gè)根本因素展開，力圖提高半導(dǎo)體溫差發(fā)電效率。

3.1 熱電材料

熱電材料性能不理想是導(dǎo)致半導(dǎo)體溫差發(fā)電效率低的主要原因之一，而衡量熱電材料性能的主要參數(shù)是熱電材料無量綱優(yōu)值ZT：

式中：a為賽貝克系數(shù)；σ為電導(dǎo)率；l為熱導(dǎo)率；T為絕對溫度。

熱電材料無量綱優(yōu)值ZT越高，其熱電性能就越好，熱電轉(zhuǎn)換效率也越高。由式(2)知，賽貝克系數(shù)和電導(dǎo)率越高、熱導(dǎo)率越低，材料的熱電性能越好，而實(shí)際并非如此。導(dǎo)熱和導(dǎo)電都是熱電材料內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率呈正相關(guān)關(guān)系，材料的這一性質(zhì)決定了其高電導(dǎo)率與低熱導(dǎo)率不可兼得[20]。傳統(tǒng)的熱電材料ZT值僅為1左右，如果將熱電材料ZT值提高到3左右，溫差發(fā)電效率將與傳統(tǒng)發(fā)電方式相媲美[5]。

隨著材料合成技術(shù)的發(fā)展，熱電材料也由傳統(tǒng)的選材目標(biāo)轉(zhuǎn)向各種新型熱電材料，各國研究者不斷尋找和開發(fā)具有較高優(yōu)值的新型熱電材料，近年來這方面的研究主要有“新化合物”和“納米復(fù)合”兩個(gè)方向。

新型的熱電材料主要有：Skuttellldite熱電材料、金屬硅化物型熱電材料、納米超晶格熱電材料、電子晶體——聲子玻璃熱電材料等，超晶格薄膜熱電材料、鈷基氧化物熱電材料、納米超晶格熱電材料等是目前的研究熱點(diǎn)。相對于傳統(tǒng)熱電材料，新型熱電材料ZT值和抗氧化性能都有較大的提升。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所陳立東課題組通過在方鈷礦結(jié)構(gòu)中填充具有不同振動(dòng)模式的多種原子，合成的材料最高ZT值已超過1.7；武漢理工大學(xué)唐新峰課題組圍繞快速凝固和放電等離子體燒結(jié)技術(shù)，做了系統(tǒng)的研究工作，制備的Bi2Te3基熱電材料ZT值超過1.5；國外美國西北大學(xué)Kanatzidis課題組在PbTe材料中添加SrTe和Na摻雜，利用固溶原子、原位析出納米顆粒和亞微米級晶粒所構(gòu)成的多尺度散射效應(yīng)，獲得的PbTe基熱電材料ZT值達(dá)到2.2[21]。隨著各類綠色環(huán)保、高優(yōu)值的新型熱電材料的出現(xiàn)及熱電材料的批量制造和規(guī)?；瘧?yīng)用，未來半導(dǎo)體溫差發(fā)電將在發(fā)電領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，發(fā)電效率也將真正可以和傳統(tǒng)發(fā)電方式媲美。

3.2 參數(shù)優(yōu)化匹配

除熱電材料的性能外，半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的發(fā)電效率還取決于與其配合的散熱或?qū)嵫b置和溫差發(fā)電器內(nèi)部的熱電耦合效應(yīng)，與溫差(ΔT)、負(fù)載電阻(R)、溫差發(fā)電回路電流(I)、發(fā)電器內(nèi)阻(r)等參數(shù)有關(guān)，即：提高冷熱源之間的溫差并保持穩(wěn)定、負(fù)載與溫差發(fā)電器內(nèi)部各結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配最優(yōu)。

國內(nèi)賈磊等人最早深入分析溫差發(fā)電的熱力過程，得出傳導(dǎo)熱與湯姆遜熱對于器件的發(fā)電效率、輸出功率之間的關(guān)系，指出選擇合適的工作溫度可以使發(fā)電器件達(dá)到最大效率[22]。文獻(xiàn)[23-24]對分段溫差電單偶模型的分段元件截面比、長度比及負(fù)載電阻分別進(jìn)行優(yōu)化后，熱電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)15.2%。文獻(xiàn)[25]對散熱外場下的溫差電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析得出結(jié)論：發(fā)電模塊的熱電轉(zhuǎn)換效率、輸出功率和開路電壓均隨冷熱端溫差的變化成比例，提高熱流密度和熱源溫度可以提高發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率和熱電轉(zhuǎn)換效率；張韜等人在半導(dǎo)體溫差發(fā)電器匹配負(fù)載的熱電耦合分析中指出：負(fù)載的改變會(huì)影響半導(dǎo)體內(nèi)部溫度場分布并導(dǎo)致出現(xiàn)最大輸出功率時(shí)的負(fù)載與發(fā)電器內(nèi)阻不一致而出現(xiàn)漂移[26]；文獻(xiàn)[27]研究發(fā)現(xiàn)最大輸出功率和開路電壓隨接觸壓力(接觸熱阻)增大而增大，但增大的幅度隨壓力的增大逐漸減小的結(jié)論，而通過改善熱電器件內(nèi)部PN結(jié)接頭處的連接工藝，可以降低其接觸電阻，從而減小發(fā)電器的內(nèi)阻。

半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件內(nèi)部各個(gè)參數(shù)的優(yōu)化匹配是個(gè)極其復(fù)雜的綜合性問題，涉及材料工藝、結(jié)構(gòu)選擇及布置等問題，需要權(quán)衡各個(gè)參數(shù)對輸出功率的影響來尋求最優(yōu)匹配，這是提高半導(dǎo)體溫差發(fā)電效率的另一個(gè)重要研究方向。

3.3 合理的結(jié)構(gòu)布置

提高溫差發(fā)電系統(tǒng)的性能除了完善熱源條件外，另一個(gè)重要的措施是改善冷源散熱條件，合理的換熱及冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化不僅可以提高冷熱源之間的溫差，還能使之長期保持穩(wěn)定，從而提高發(fā)電效率和性能。

一方面，選擇合理的換熱方式與換熱介質(zhì)，提高散熱器的散熱系數(shù)將直接改善系統(tǒng)性能，比如：液冷、相變換熱等。另一方面，選擇散熱性能好的散熱器及優(yōu)化散熱器形狀結(jié)構(gòu)、散熱面積等，這對提高并保持冷熱源之間的溫差極為重要。因此，通過尋求散熱性能較好的散熱器和集熱性能較好的集熱器，通過降低冷端溫度和增加熱端溫度來增大溫差ΔT的值，是提高溫差發(fā)電效率的另一種有效途徑。

3.4 其他

雖然半導(dǎo)體溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)緊湊，但緊湊的結(jié)構(gòu)長期處于極冷和極熱的極端環(huán)境中會(huì)影響半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件的可靠性。提高發(fā)電效率需要長期保持較高而穩(wěn)定的溫差，強(qiáng)大的溫差會(huì)使連接片熱脹冷縮，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，加速器件損壞，甚至可能會(huì)使PN電臂斷裂，從而縮短發(fā)電器件壽命。

有效的解決辦法：通過建立溫差發(fā)電器熱力學(xué)有限元模型，利用ANSYS軟件模擬分析模型的CFD溫度場和電勢場分布規(guī)律；再通過模態(tài)分析模擬計(jì)算，獲取整個(gè)溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)(固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等)[28]，結(jié)合溫度場和電勢場分布規(guī)律，綜合考慮溫差發(fā)電的輸出特性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性，對溫差發(fā)電裝置各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配及選擇合理的結(jié)構(gòu)布置，從而在提高熱電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)克服因機(jī)械應(yīng)力、環(huán)境因素等造成的可靠性低的問題。

4 結(jié)語

半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在工業(yè)及生活廢熱余熱、汽車尾氣、地?zé)崮艿鹊推肺荒茉蠢蒙系膬?yōu)勢使其成為研究熱點(diǎn)，與傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、無運(yùn)動(dòng)部件、無噪聲、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，與儲(chǔ)能裝置相結(jié)合可進(jìn)行連續(xù)發(fā)電。雖然目前半導(dǎo)體溫差發(fā)電效率較低，但隨著各種性能優(yōu)良的新型熱電材料的發(fā)現(xiàn)和溫差發(fā)電器參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化匹配的研究，半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用推廣，從而在提高能源利用率、改善能源結(jié)構(gòu)和保護(hù)環(huán)境方面發(fā)揮其功效。

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[28]李校楊.汽車尾氣余熱溫差發(fā)電裝置模態(tài)分析[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2012．

Application and research of semiconductor thermoelectric power generation technology

YAN Wei1,QIU Guo-yue1,YUAN Xu-feng1,2
(1.College of Electrical Engineering,Guizhou University,Guiyang Guizhou 550025,China;2.Postdoctoral Workstation of Guizhou Power Grid Corporation,Guiyang Guizhou 550002,China)

Semiconductor thermoelectric power generation is a new energy-saving and environment-friendly power source which can directly convert heat energy to electricity.It has many significant advantages of no pollution,compact structure,no moving parts,no noise and maintenance-free,and can make use of the low-grade heat energy such as solar energy,geothermal energy,industrial and domestic waste heat,automobile exhaust heat to improve the energy efficiency.The principle,application and research status of semiconductor thermoelectric power generation were introduced.The thermoelectric power generation technology problems were summarized;the key technologies to improve the conversion efficiency and future research directions of semiconductor thermoelectric power generation were analyzed.

thermoelectric power generation;waste heat recovery;conversion efficiency;semiconductor

TM 913

A

1002-087 X(2016)08-1737-04

2016-01-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(510670001)；貴州省科技基金資助項(xiàng)目(黔科合J[2008]2212號)

晏維(1990—)，男，貴州省人，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制。導(dǎo)師：邱國躍(1958—)，男，貴州省人，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制；袁旭峰(1976—)，男，貴州省人，博士后，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制及FACTS技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

袁旭峰，Email：17015676@qq.com