（辽宁石油化工大学 辽宁省抚顺市 113001）
摘要：温差是一种丰富的自然资源，随着社会的发展和科技水平的提高，人们开始逐渐认识和利用这种新型环保能源，其中温差发电器就是典型的产物之一。温差发电器可以将热能转化成电能的固态装置，具有结构简单、稳定可靠、无噪音、使用寿命长、绿色环保等多个优点，深受人们的青睐，被广泛应用于航天、军事、民用工业等领域。本文阐述了温差发电器的原理，简要的介绍了低级热温差发电器、烃燃料温差发电器以及放射性同位素温差发电器等，对比国内外各类温差发电的研究进展及现状，并指出各类温差发电的应用前景，并对其性能进行对比分析。
关键词：低级热温差发电器、烃燃料温差发电器、放射性同位素温差发电器
1、前言
目前国外温差发电技术已经在航空航天、军事和远距离通信等高科技领域得到应用，而在民用方面，主要的研究方向是利用工业余热、垃圾焚烧、汽车尾气以及海洋温差、地热自然热等形式产生的温差进行电能的转化，极大地提高了能源利用效率[1]。根据使用热源的种类不同，可将温差发电器分为低级热温差发电器、烃燃料温差发电器、放射性同位素温差发电器下文就简要介绍这几种不同热源材料的温差发电器。
2、温差发电器的原理
温差发电技术是基于塞贝克（Seebeck）效应发展起来的，赛贝克效应是一种由于导体的温度差而导致电动势产生的现象。将两种不同的热电材料（P型和N型）的一端通过优良导体Cu连接起来，另一端则分别与Cu导体连接，构成一个PN结，得到一个简单的热电转化组件，也称为PN热电单元。在热电单元开路端接入负载电阻，此时若在热电单元一端热流（QH）流入，形成高温端（即热端），从另一端（QC）散失掉，形成低温端（即冷端），于是在热电单元热端和冷端之间建立起温度梯度场。热电单元内部位于高温端的空穴和电子在温度场的驱动下，开始向低温端扩散，从而在PN电偶臂两端形成电势差，电路中便会有电流产生。
3、低级热温差发电器
3.1太阳能光发电
太阳能热利用技术按终端使用温度范围大致可分为低温、中温、高温：低温范围在100℃以下；中温为100～300℃之间；高温为300℃以上。太阳能温差发电系统由太阳能集热系统、热源循环系统、冷源循环散热系统、半导体温差发电模块等组成。太阳辐射能投射到槽式太阳能集热器上，然后被集热器中的介质吸收。受热的介质通过输热回路把热量传到储热装置中，然后再由储热装置的热交换器中的热工质通过输热回路把热量传送到温差发电模块的热端。温差发电模块的冷端通过散热回路使冷端维持一定的温度。温差发电模块的两端有了一定的温差，从而把热能转换为电能[2]。
1922 年，Coblentz [3]研制了第一台太阳能温差发电装置，由于当时采用的热电材料性能较差，系统发电效率很低（<1%）。2004年Maneewan等[4]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，屋顶上设置了热电转换器件，太阳能辐射到集热板上，使温差发电器热端温度升高，与冷端形成温差，从而发出电能。中国科学技术大学何伟等[5]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，在水温为45 ℃、太阳辐射强度为 600 W/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%。
3.2海洋温差发电
海洋温差能是不同深度海水水温之差的热能。利用海洋表层的温海水和深层的冷海水间存在的温差进行发电的技术，称为海洋温差发电。海洋温差发电电站工作方式分为开式循环、闭式循环和混合式循环三种[6]。（1）闭式循环是利用海洋表层的温水来蒸发氨或氟利昂之类的工作流体。蒸汽经涡轮机后，再由从海洋深处抽过来的冷水冷凝成液体。（2）开式循环中，表层水本身就是工作流体。表层水在小于其蒸汽压的压力下蒸发，蒸汽流经涡轮机，然后如同氟利昂在闭式循环中那样被冷却和凝聚。（3）混合式循环即开式循环和闭式循环的组合。
1926 年法国物理学家G.Claude [7]进行了首次温差能发电实验，证明了海洋温差能发电的可行性。1977年，美国修建了世界上第一个闭式循环的小型海洋热能转换机组[8]，简称OTEC，该装置是当今开发利用海水温差发电技术的典型代表。1999年11月，日本和印度联合进行的1000千瓦海洋温差发电试验成功，推动了该技术的实用化[9]。
3.3利用余热（废热）温差发电
戴海燕等[10]人利用汽车尾气余热，设计了一款平板式汽车尾气余热温差发电装置。其工作时，气通道箱体上下部分热层作为集热装置，尾气的热量通过集热装置传递给温差发电片。组装温差发电装置用于改善温差发电片的散热以减小发电片的热阻，同时还能保证发电组件平稳贴在高温物体表面。冷源装置与发动机冷却系统相连接，形成温差发电组件的冷端。利用汽车冷却系统作为冷端具有散热稳定且散热能力强的优点，温差发电组件的两端便能形成较为稳定的温差。日本的工业研究所研发出利用工业废热的温差发电器[11]，该温差发电器由串联的热电模块组成，安装在工业熔炉内凉水夹套的表面，热端涂有Si C膜，接收熔炉保温层的辐射热，冷端被凉水冷却。当工业熔炉产生的热量为200 k W，温差发电器的热电转效率7.5%，发电量可达4 k W，可用于驱动真空泵和控制仪表。
4、烃燃料温差发电器
4.1 DWD型气体温差发电器
气体温差发电器是烃燃料温差发电器中的主要品种，在国内是最近几年才发展起来的一种新型物理电源。它可以将可燃气体(如天燃气、液化石油气等)燃烧热能直接转换成为电能。
DWD型气体温差发电器装置分为三部分：温差电换能器、燃烧系统和压力控制系统。温差电换能器是由温差电材料、电极、散热器、保温材料及壳体等组成。温差电偶通过冷端组件和弹簧并用插销固定在燃烧室和框架之间。发电器内部的空间用导热系数很小的微孔绝热材料填满。目前研制的功率较大的DWD一4B型50瓦级的介质冷却气体温差发电器在大港油田南阀组阴极防腐站进行了试验。经过多次试验，证明气体温差发电器工作可靠、供电平稳，是油气管道阴极防腐的一种可资利用的新型电源[12]。
4.2基于多孔介质稳燃的微燃烧温差发电器
马皎娇等[13]人发明了一种基于多孔介质稳燃的微燃烧温差发电器。这种设备呈片层状结构，自上而下依次为：燃料储存层、上温差发电片、上隔热层、燃烧模块、下隔热层、下温差发电片、助燃剂储存层，该设备具比能量高、体积小、无噪音、持续稳定、低排放的优点，主要针对微型电子设备领域，适用于野外，以及军事、航空航天领域的微型精密轻便设备的供电。与传统化学电源相比，由微尺度燃烧器组成的微燃烧能源系统具有价格低廉、能提供稳定电压、可重复使用和低排放等优点。国内外对于微尺度燃烧以及微小型热电转换器所做的工作主要集中于器件加工和一些相关的微燃烧实验方面，几乎没有开展如何保持热电发电器冷热段的温差以及燃烧器的温度场的均匀分布等内容的研究工作。
5、放射性同位素温差发电器
放射性同位素温差发电是一种利用温差电材料的塞贝克效应将放射性同位素的衰变热直接转换成电能的发电装置。
同位素热源和同位素温差发电器的研制始于20世纪50年代，1961年美国向太空发射了由同位素温差发电器供电的“子午仪”号导航卫星，这标志着该电源首次在空间获得应用。从此随着美国空间计划不断向着太阳系深处的延伸，同位素热源研制技术和温差发电技术成为美国空间科学技术的重要组成部分，同位素热源和同位素温差发电器在登月计划和系列行星探测计划中得到了广泛的应用。对于国内，由于同位素热源燃料的缺乏和需求牵引的不足使国产同位素热源和同位素温差发电器至今仍没有得到实际应用。
5.1核电池
核电池是将原子核放射能直接转变为电能的装置，是由一些性能优异的半导体材料，如碲化铋、碲化铅、锗硅合金和硒族化合物等，把许多材料串联起来组成，再加上一个合适的热源和换能器，在热源和换能器之间形成温差才可发电。苏联于1965年使用210Po同位素电池作为宇宙-84和宇宙- 90军事通讯卫星的辅助电源，输出电功率10W[15]。2003年NASA将核创新计划(Nuclear Space Ini-tiative- NSI)更名为普鲁米修斯核电源和推进计划，普鲁米修斯计划安排了10个先进放射性同位素热-电能量转换技术进行开发和预先研究，其中4项属于温差电技术领域[16]。
6、结论与展望
（1）温差发电器被广泛应用于航天、军事、民用工业等领域，具有结构简单、稳定可靠、无噪音、使用寿命长、绿色环保等多个优点，深受人们的青睐，随着新材料的研制和可靠工艺技术的进步，以及热电转化系统输出功率和转化效率的提高，温差发电器必将展现出更广阔的应用前景。但目前国内温差还存在一系列亟待解决的问题，如：发电效率低，环境污染严重等。
（2）今后可重点围绕以下几点进行重点攻关，以完善我国温差发电技术，进而缓解我国用电压力：①研究出能源利用效率高，污染低的温差发电器；②利用新的能量转换形式是提高温差发电器效率的一种有效方法；③设计可提高余热、废热的设备，以更经济环保的方法进行热力转换。
参考文献
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论文作者:周益邦,赵月腾,刘启孟,冯圣刚
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/23
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