溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀

塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實驗室 陳宏濤肖愛玲

塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院

溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀

塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實驗室 陳宏濤肖愛玲

塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院

溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)是一種新型的綠色環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，能有效減緩當(dāng)今社會在能源方面的壓力。近些年以來，在國內(nèi)外眾多研究者的努力下，溫差發(fā)電技術(shù)取得了很大的進(jìn)步。最初，由于研究者對熱電材料的認(rèn)識不足，且僅限于金屬熱電材料，因此熱電轉(zhuǎn)換效率比較低下。到了20世紀(jì)30年代，由于研究者對半導(dǎo)體金屬材料的研究深入，推動了溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)的極大進(jìn)步。再后來，Douglas等設(shè)計出了多模塊交互回路溫差發(fā)電器，使得溫差半導(dǎo)體的輸出功率得到了更大幅度的提升。如今，溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)已經(jīng)在實際的生活中廣泛應(yīng)用開來，受到了越來越多國家的重視。本文主要介紹了目前國內(nèi)外在溫差發(fā)電技術(shù)上的一些研究成果以及在各個領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展方向。

溫差半導(dǎo)體；溫差發(fā)電類型；研究現(xiàn)狀；應(yīng)用

0 引言

21世紀(jì)全球能源壓力日益加重，各國都在積極尋求新能源來減緩國內(nèi)所面臨的能源壓力，目前而言，世界各國主要的發(fā)電方式包括火力發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電以及日益增多的核電站等，電力是一個國家的重中之重。對于我國而言，由于人口眾多，發(fā)展迅速，能源需求比較旺盛，但是目前我國主要的發(fā)電方式仍是火力發(fā)電和水力發(fā)電。對于火力發(fā)電而言，其主要利用的是煤炭作為燃料進(jìn)行發(fā)電，能源消耗較大，并且煤炭燃燒所產(chǎn)生的廢氣對于環(huán)境的污染危害也比較大。因此，發(fā)展其他可替代的新型發(fā)電方式顯得尤為重要。

而溫差發(fā)電技術(shù)，從原理上而言，在發(fā)電過程中并不會對環(huán)境產(chǎn)生污染，通過借助現(xiàn)有的實際條件進(jìn)行發(fā)電，符合綠色無污染、可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)。因而大力發(fā)展溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)很有意義，也很有必要。

1 溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)

溫差發(fā)電是一種綠色環(huán)保無污染的發(fā)電方式，其具有發(fā)電結(jié)構(gòu)簡單耐用，無傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所帶來的噪聲，以及使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)。

對于溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)而言，其工作原理可以簡述為：通過在2塊不同性質(zhì)的半導(dǎo)體兩端設(shè)置一個溫差，這樣在半導(dǎo)體的兩端就產(chǎn)生了直流電壓。其中溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)的原理主要來源于塞貝克(Seebeck)效應(yīng),該效應(yīng)的解釋為：在P型或者N型半導(dǎo)體中,由于熱激發(fā)的作用比較強(qiáng),會導(dǎo)致高溫端的空穴濃度或者電子濃度比低溫端的大,這個跟PN結(jié)的特性有關(guān)，溫度會對PN結(jié)的性能產(chǎn)生很大影響。因而在這種濃度梯度的驅(qū)動下,空穴或者電子就會由于熱擴(kuò)散的影響,從高溫的一端向低溫的一端擴(kuò)散,從而形成一種電勢差,這就是塞貝克效應(yīng)，其原理如圖1所示[1]。

圖1 溫差發(fā)電（Seebeck)效應(yīng)原理圖

因此如果我們將P型和N型半導(dǎo)體的熱端進(jìn)行相連,則在冷端便會得到一個電壓,進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電能,很顯而易見，這是一種新型的綠色發(fā)電技術(shù)。因此如果我們將很多個這樣PN結(jié)串連起來以后,就可得到足夠高的電壓,成為一個溫差發(fā)電器[2]。由于這樣的溫差發(fā)電機(jī)并不像傳統(tǒng)的電磁發(fā)電機(jī)一樣，并沒有轉(zhuǎn)動部分,在使用過程中也比較可靠，因此在實際中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2 溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

溫差發(fā)電技術(shù)，自從被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在的廣泛應(yīng)用已經(jīng)經(jīng)歷了很長的時間。在1821年，Seebeck發(fā)現(xiàn)塞貝克效應(yīng)以來，該效應(yīng)便為后來的技術(shù)發(fā)展奠定了理論的基礎(chǔ)。在其后很長的一段時間里，由于人們對溫差熱電材料的認(rèn)識僅僅局限于金屬材料，又因為金屬材料的塞貝克系數(shù)都較低，對應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換效率還不到0.6%[3]，所以在實際的應(yīng)用中，溫差發(fā)電技術(shù)一直都未能取得很大進(jìn)展。一直到了20世紀(jì)30年代，半導(dǎo)體技術(shù)的研究才取得了非常迅猛的發(fā)展，研究者發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體熱電材料的塞貝克系數(shù)可提髙至約100V/K[4]，極大地推動了溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步。

到了20世紀(jì)50年代的末期，蘇聯(lián)著名的半導(dǎo)體學(xué)家Loffe院士提出了2種或2種以上的半導(dǎo)體形成的固溶體，能使熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)產(chǎn)生數(shù)量級的提升[5],這項研究成果為后來的研究者們描繪了新型熱電材料的研究前景。再后來，Douglas等特別針對熱源動態(tài)變化的情況，設(shè)計出了多模塊交互回路溫差發(fā)電器，其在相同的熱源下，輸出功率最大可提高到25%[6]。

如今，國外溫差發(fā)電技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用在實際當(dāng)中，并且與我國在這方面也有了一定的合作，在2013年的時候，一家美國軍工企業(yè)在北京與國內(nèi)一家能源公司簽訂了海水溫差發(fā)電合同，該發(fā)電設(shè)施建造在我國南方沿海地區(qū)。其海水溫差發(fā)電系統(tǒng)的示意圖如圖2和圖3所示。

其中圖2所示的為封閉式海水溫差發(fā)電系統(tǒng)的示意圖，即隨著海水深度的變化，由于表層海水受到陽光的照射，吸收能量而使得溫度逐漸升高。由于在海平面200 m以下，海水深度比較深，陽光幾乎是無法到達(dá)的，因此溫度又較低。進(jìn)行海水溫差發(fā)電時，需抽取表層溫度較高的海水，使熱交換機(jī)內(nèi)的低沸點(diǎn)液體〈例如氨〉沸騰為蒸氣，然后推動發(fā)電機(jī)發(fā)電，再將其導(dǎo)入另一熱交換機(jī)，使用深層海水將其冷卻，如此完成一個循環(huán)。

圖3所示的為開放式溫差發(fā)電系統(tǒng)的示意圖，即通過將表層海水引入真空狀態(tài)的蒸發(fā)槽中，因低壓下，水的沸點(diǎn)極低而沸騰為水蒸氣，再引至凝結(jié)槽，以深層海水使之凝結(jié)為水。在此過程中會在蒸發(fā)槽與凝結(jié)槽之間因壓力差而形成蒸汽流，在其間加上渦輪機(jī)即可發(fā)電。另外，使用開放式循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電會在凝結(jié)槽中形成淡水，可供使用。由于排出的為淡水，這也是它的有利之處。

圖2 封閉式海水溫差發(fā)電系統(tǒng)示意圖

圖3 開放式溫差發(fā)電系統(tǒng)示意圖

國內(nèi)對于溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)的研究起步相對較晚，且主要集中于對溫差發(fā)電材料方面的研究。過去幾十年里，在國內(nèi)眾多研究者的努力下，取得了一定的成績。其中陳金燦課題組從20世紀(jì)80年代就開始對溫差發(fā)電器的基礎(chǔ)理論（塞貝克效應(yīng)）進(jìn)行研究，其后來又對溫差發(fā)電器的性能進(jìn)行了優(yōu)化分析：通過在一定數(shù)學(xué)表達(dá)式的基礎(chǔ)上，研究溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)參數(shù)與不可逆行對半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的性能影響，探討了給定熱源溫度熱電器輸出功率的最佳優(yōu)化條件，即為了使半導(dǎo)體發(fā)電器獲得最大的功率輸出，負(fù)載電阻是不可以隨意選擇的，取得了很多有意義的成果[7]。

再后來以趙新兵為首的浙江大學(xué)的課題組對－FeSi2、Bi2Te3、Zn4Sb3等熱電材料行了研究，并且首次采用了快速凝固法制備了－FeSi2，還研究了多種熱電材料的摻雜特性，其研究水平也已處于國際前列[8-14]。最后以王為和、張建中為首的天津大學(xué)課題組則對微加工進(jìn)行了深入的研究，提出了熱電材料加工的一維納米線陣列結(jié)構(gòu)[15]，即通過將溫差材料制成二維納米薄膜或一維納米線，可大幅提高材料的ZT值（無量綱優(yōu)值，Z為優(yōu)值，T為溫度），因為研究發(fā)現(xiàn)，通過降低維數(shù)可降低熱導(dǎo)率，提高ZT值，進(jìn)而提高塞貝克系數(shù)，提高溫差發(fā)電的發(fā)電效率。

總體來說，我國在微型半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)方面還不是很成熟，大范圍的應(yīng)用還沒有實行，但對于小型的溫差發(fā)電裝置，市場上已經(jīng)有了成品，并且大部分成品都是半導(dǎo)體溫差發(fā)電片所構(gòu)成，具有一定的實用性，如圖4所示的市場上所銷售的溫差半導(dǎo)體發(fā)電片。

目前國際上已開始將溫差發(fā)電推向了工業(yè)應(yīng)用的階段。

圖4 市場上所售的溫差半導(dǎo)體發(fā)電片

3 溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

溫差發(fā)電作為一種新型的綠色發(fā)電技術(shù)，在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的今天，以及各國能源需求旺盛，生態(tài)環(huán)境惡劣的情況下，溫差發(fā)電技術(shù)在很多的領(lǐng)域都有應(yīng)用。

在航空航天方面，正如我們所知道的，航天器常用的供能方式是通過太陽能供電,但這種方式往往只適用于航天器工作在有一定的太陽輻射量的空間中,具有其局限性。因此在太陽能電板無法發(fā)揮作用時,同位素溫差發(fā)電器(RTG,Radio-isotopeThermoelectricgenerator)便成為首選的最佳替代動力源[16]。而我國第一個钚-238同位素電池也已在中國原子能科學(xué)研究院誕生了，同位素電池的研制成功填補(bǔ)了我國長期以來在該研究領(lǐng)域的空白，標(biāo)志著我國在核電源系統(tǒng)研究上邁出了重要的一步。

在社會應(yīng)用方面，汽車發(fā)動機(jī)排氣所帶走的熱量占到所消耗的燃料產(chǎn)生熱量的40%[17],殘余的廢氣的溫度約在800℃左右,因此我們可以利用溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)回收尾氣的余熱來進(jìn)行發(fā)電。如圖5所示[18]，是以李啟明為首的團(tuán)隊所研究的尾氣余熱發(fā)電裝置。

圖（a）是該裝置的原理示意圖，是由2個吸熱氣箱和3個冷卻水箱相互層疊而成，其中2個氣箱的進(jìn)出口分別通過一個三通連接成為一個整體，冷卻水箱的進(jìn)出口則分別通過一個四通連接為一個整體。吸熱氣箱和冷水水箱之間夾裝熱電片組，共4層熱電片組。工作的時候，來流尾氣經(jīng)三通后一分為二進(jìn)入上下2個氣箱，出口再經(jīng)一個三通匯聚成一股排出，而來流冷卻水則經(jīng)過四通后一分為三，分別接入上、中、下3個冷卻水箱，出口也是匯成一股返回。尾氣與冷卻水屬逆流形式，有利于整個系統(tǒng)的熱量傳輸以及沿程熱電片溫度的均勻化；圖(c）是實驗中所測試的皮卡車，其型號為薩普V系列2.0L排量，其發(fā)動機(jī)型號為4Q20M，該發(fā)動機(jī)在2 000～4 500 rpm時可產(chǎn)生95 kW的功率。

圖5 回收汽車尾氣余熱溫差發(fā)電裝置

在最終實際的道路測試過程中，該發(fā)電模塊的峰值功率可達(dá)300 W[19]，可在一定程度上滿足車輛正常行駛所需的電力。通過尾氣溫差發(fā)電裝置，能夠提高能源的利用率，具有很大的實際意義。

在個人生活方面，有一種已經(jīng)商品化的新型手表,如圖6[20]所示的那樣，它能僅僅利用人體所提供的熱量來作為其電源,利用熱電微器件的發(fā)電系統(tǒng)將熱能轉(zhuǎn)換為電能[21],當(dāng)手表被戴在人的手腕上經(jīng)過一段時間穩(wěn)定后,安裝在手表內(nèi)部的微型發(fā)電元件的冷端面的溫度約為29℃,熱端面的溫度約為30℃,在手表的接觸面積上,人體能提供的熱量大約為50 mW,在經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，也能得到25 mW的電能。

由上可知，溫差發(fā)電技術(shù)可以靈活利用各種不同形式的熱能,適用于太陽能、地?zé)崮?、海洋溫差、余熱的?jié)能利用,是很有潛力的節(jié)能和發(fā)電途徑,具有廣闊的應(yīng)用前景。因而我國應(yīng)優(yōu)先發(fā)展該研究方向,以提高能源的利用水平和效率，減輕其他不可再生能源方面的能源壓力。

[1]何元金,陳宏,陳默軒.溫差發(fā)電——一種新型綠色的能源技術(shù).工科物理[J],2000，10（2）∶38(圖2).

[2]趙建云,朱冬生,周澤廣等.溫差發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀.電源技術(shù)[J]，2010，34（3）∶310-311.

[3]Shinohara K,Kobayashi M,Kushibiki K,et al.Application of thermoelectric generator for automobile[J].Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy,1999,46(5)∶524-528.

[4]柳長昕.半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)實驗研究及其應(yīng)用[D],大連理工大學(xué)，2013：20.

[5]Yan X,Crookes R J.Energy demand and emissions from road transportation vehicles in China [J].Progress in Energy and Combustion Science, 2010,36(6)∶651-676.

[6]CRANE D T,BELL L E.Design to maximize performance of athermoelectric power generator with a dynamic thermal power source[J].Journal of Energy Resources Technology,2009,131(1)∶1-8.

[7]潘玉灼，林比宏.結(jié)構(gòu)參數(shù)與不可逆性對熱電發(fā)電器性能的影響[J].泉州師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，24(6)∶13-18.

[8]T.J.Zhu,X.B.Zhao,S.H.Hu,Phase transition of FeSi2and FeSi2based alloys prepared by melt spinning,J Mater.Sci.Lett.

[9]朱鐵軍，趙新兵.-FeSi2∶熱電材料的性能優(yōu)化及測試方法[J].材料科學(xué)與工程，1999，17(4)∶55-59.

[10]朱鐵軍，趙新兵，胡淑紅等.快速凝固-FeSi2熱電半導(dǎo)體的電學(xué)性能[J].功能材料，2001，32(3)∶280-281.

[11]李偉文，趙新兵，周邦昌等.摻N的-FeSi2基熱電材料電學(xué)性能的研究[J].有色金屬，2002，54(3)∶9-11.

[12]李偉文，趙新兵，烏腸震泰等.含Sm和Cr的P型2FeSi2基熱電材料的電學(xué)特性[J].有色金屬，2002，54(2)∶5-7.

[13]崔教林，趙新兵.P型FeSi2/Bi2Te3梯度熱電材料的伏值推證與界面溫度優(yōu)化[J].稀有金屬材料與T程，2002，31(2)∶118-121.

[14]T.J.Zhu,X.B.Zhaoetal.Transport properties of-Zn4Sb3semiconductorpreparedbyvacuum melting[J],Meter.Lett,2000,469(1)∶44-48.

[15]王為，張建中，陳巖等.由一維納米線陣列結(jié)構(gòu)溫差熱電材料構(gòu)制的微溫差電池[P].知識產(chǎn)權(quán)出版社，2002.公開號CN1352468A.

[16]張騰,張征.溫差發(fā)電技術(shù)及其一些應(yīng)用[J].能源技術(shù),2009,30(1)：36-37.

[17]J Yang.Potential Applications of Thermoelectric Waste Heat Recovery in the Automotive Industry[J].International Conference on Thermoelectrics,2005∶155-159.

[18]李啟明,彭文博,劉大為等.汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的實車測試及分析[J].可持續(xù)發(fā)展,2014,4(4)∶66-68.

[19]李啟明,彭文博,劉大為等.汽車尾氣溫差發(fā)電裝置的實車測試及分析[J].可持續(xù)發(fā)展,2014,4(4)∶67-68.

[20]張騰,張征.溫差發(fā)電技術(shù)及其一些應(yīng)用[J].能源技術(shù),2009,30(1)：38(圖9).

[21]Kishi M,Nemoto H,Yamamoto M.Proceedings of 18th International Conference on Tes[J],American Institute of physics,College Park,1999∶301-307.

塔里木大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（國家級）項目（201610757050）

2016-11-15)