（电工理论与新技术专业论文）半导体温差发电装置的研制.pdf

半导体温差发电装置的研制 t h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o rd e v i c e a b s t r a c t e c o n o m i cg l o b a l i z a t i o nd o e st h ea l l o c a t i o nd i v i s i o n o fe n e r g yr e s o u r c e sa r o u n dt h e w o r l di nam o r er e a s o n a b l e w a y h o w e v e r , e n e r g ys h o r t a g ea n d e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o na p p e a r sf r e q u e n t l y i t sn e c e s s a r y t of i n dn e wt y p eo fg r e e nc l e a na n d e n v i r o n m e n t l l y - f r i e n d l ye n e r g yt of u r t h e rt h ed e v e l o p m e n tp a c eo fh u m a n , m e a n w h i l e ，t oe a s e o re v e nr e p l a c et r a d i t i o n a lf o s s i lf u e l sa n dr e d u c ee n v i r o n m e n t a lp r e s s u r e g o v e r n m e n t sh a v e a l r e a d yc o m m i t t e dt or e s e a r c ha n dd e v e l o po fn e we n e r g yw i t ht h ee f f o r t s w h i c hi s u n p r e c e d e n t e d t h ec h i n e s eg o v e r n m e n ti sa l s oi na c c o r d a n c ew i t hi t so w na c t u a ls i t u a t i o n ， m a k i n ge c o n o m y ，e n e r g ya n dt h ee n v i r o n m e n to fc o - o r d i n a t e dd e v e l o p m e n ts t r a t e g y ，g i v i n g s t r o n gs u p p o r t f o rn e we n e r g y d e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o n t h e r m a le n e r g y i sa n e n v i r o n m e n t a l l y - f r i e n d l ye n e r g yt e c h n o l o g y t h i sa l l - s o l i d s t a t ee n e r g yc o n v e r s i o nm e t h o d h a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sn on o i s e ，n ow e a r ，n o n p o l l u t a n te m i s s i o n , s m a l ls i z e ，l i g h t w e i g h t ，e a s yt oc a r r y ，l o n gl i f e ，w i t h o u tt h ea r t i f i c i a l m a i n t e n a n c ee t c t h e r e f o r e ，t h i s t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nm i l i t a r y , a e r o s p a c ea n do t h e rf i e l d sa b r o a d t h es t u d ya n da p p l i c a t i o n so nt h e r m o e l e c t r i cc o o l i n gi sm o r em a t u r et h a nt h e r m o e l e c t r i c p o w e rg e n e r a t i n g t h i sa r t i c l ed e s i g n sal o wt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ep o w e rg e n e r a t i o n e x p e r i m e n tb a s e do nt h es e e b e c ke f f e c ti nt h el a b o r a t o r y c o m p a r eo ft h eo u t p u tp o w e rw i t h d i f f e r e n t t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，d i f f e r e n tc o o l i n gm e t h o d ，a n de x p l a i nt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h eo u t p u tv o l t a g eo fas i n g l ep o w e rm o d u l eo rt w op o w e rm o d u l e sc o n n e c t e di n s e r i e sa n dt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，s i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o no ft h ep o w e ro u t p u t ，p o i n t e do u t t h a tas i n g l eg e n e r a t i o no fm o d u l a rc o m p o n e n t sc a nb ed e s i g n e da c c o r d i n gt oa c t u a ln e e d so f d i f f e r e n tm u l t i m o d u l es t r u c t u r eo fs e r i e s p a r a l l e lc o n n e c t i o n c h o o s es u p e r c a p a c i t o ro ff a s t c h a r g e d i s c h a r g ec a p a c i t yf o re n e r g ys t o r a g eb e c a u s eo ft h ei n s t a b i l i t yo ft h e r m a le n e r g y o u t p u tv o l t a g e ，a n da l s os t a b l et h eo u t p u to ft h es u p e r c a p a c i t o rv o l t a g e u s i n gl m 2 5 7 7c h i p d e s i g n sw i d ei n p u tr a n g ea n do u t p u ta d j u s t a b l es w i t c h i n gr e g u l a t o rc i r c u i t p o w e rm o d u l ea n d p o w e rm a n a g e m e n tm o d u l ec o n s t i t u t et h et h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o rd e v i c e m o d e l i n ga sa g u i d e ，a n dw i t hs o m ea c c u r a t ec a l c u l a t i o n ，i tc a nb eu s e di nt h en e e do fh e a tr e c o v e r ya n dg i v e p r o v i s i o no fe l e c t r i c a lp o w e rf o rs o m es m a l ld e v i c e k e yw o r d s ：s e e b e c ke f f e c t ；s e m i c o n d u c t o rt h e r m o e l e c t r i cp o w e r ； s u p e r c a p a c 计o r ：s w i t c h i n gr e g u l a t o rc i r c u i t 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论 文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者躲。辍厕 事托一，抓 作者签名：盥垒二竺望 翩躲互轧 粤年；月上日 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名k 殛日期：生塑互：堑 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 地球的历史已有4 6 亿年，但人类产生3 0 0 万年前左右，而人类文明史也只有短短6 0 0 0 年左右，只是历史长河中的一瞬。然而人类却为“文明二字的付出了昂贵的代价。地球 将几亿年沉积的物产资源无私的奉献给人类任由其挥霍，这个美丽的蓝色星球已经逐渐 变得面目疮痍。资源的过度开发和环境的恶化已经给人类敲响了警钟，我们需要以科学 的眼光和科学的方式探索人类历史继续前行的道路，一种可持续发展的道路。 1 1 能源与环境现状 1 1 1 能源危机 几乎地球人都知道，我们赖以生存的能源已经开始和我们生活告别，如果我们滥用 能源过度开发，肯定会在将来的某日失去它，同时也将失去往日的生活。居安思危，何 况能源危机已经摆在我们面前。地球上的能源到底还能供人类用多久? 以石油为例，目 前全球每天消耗石油量可达7 1 0 0 万桶，每年增加2 。以这个数字计算，到2 0 1 0 年， 全世界将消耗掉从经济到技术上都容易开采的全部石油的一半。尽管地质勘探技术有 了惊人的进步，但所探明的新的石油储量明显减少，因为现有石油消费量同新勘探到的 石油量的比例是4 ：1 。据美国石油业协会估计，地球上尚未开采的原油储藏量已不足两 万亿桶，可供人类开采时间不超过9 5 年。在2 0 5 0 年到来之前，世界经济的发展将越来 越多地依赖煤炭。其后在2 2 5 0 到2 5 0 0 年之间，煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯竭。 我国自身能源储量本来就相对不足，再加上经济结构不合理，经济增长方式粗放， 能源利用效率明显偏低，节能降耗、污染治理等技术的应用不广泛，社会消费领域一味 攀比，目前，快速增长的能源供应已赶不上更快增长的能源需求，许多重要能源的供应 已出现紧缺。 从资源总量看，我国是一个资源大国，资源总储量居世界第3 位，一些重要资源拥 有量位居世界前列，但从人均资源占有量看，我国又是一个“资源小国”，人均占有量 居第5 3 位，仅为世界人均占有量的1 2 。煤炭、石油、天然气人均剩余可采储量分别只 有世界平均水平的5 8 6 、7 6 9 和7 0 5 。我国化石能源资源探明储量中，9 0 以上是 煤炭。我国能源资源结构以煤为主，占能源资源总量的7 5 2 。据预测，我国煤炭探明 可利用储量近2 0 0 0 亿吨，如果按照年产2 5 亿吨原煤的速度推算还可以供应8 0 年。尽 管我国有可观的煤炭资源量，但优质资源少，生产、消费环节浪费严重。国家安全生产 监督管理总局的数字显示，中国煤矿回采率平均只有3 5 ，一些煤矿回采率仅为1 5 ， 有些甚至低至1 0 ，消耗每吨标准煤实现的g d p 为仅世界平均水平的3 0 。据能源专 半导体温筹发电装置的研制 家估计，我国已探明的石油可采储量约为2 3 亿吨，仅可供开采1 4 年左右，石油的对外 依存度已超过1 3 ，今后新增的石油需求量几乎要全部依靠进口。据预测，未来1 5 年原 油供需缺口将逐年加大。 目前，我国能源利用效率仅为3 3 ，比发达国家低1 0 个百分点；单位产值能耗是 世界平均水平的2 倍多，比美国、欧盟、日本、印度分别高2 5 倍、4 9 倍、8 7 倍和4 3 ； 我国8 个行业( 石化、电力、钢铁、有色、建材、化工、轻工、纺织) 主要产品单位能 耗平均比国际先进水平高4 0 ；燃煤工业锅炉平均运行效率比国际先进水平低1 5 2 0 ； 机动车百公里油耗比欧洲高2 5 ，比日本高2 0 。我国建筑采暖、空调能耗均高于发达 国家，其中单位建筑面积采暖能耗相当于气候条件相近的发达国家的2 3 倍。矿产资源 总回收率比国外先进水平低2 0 个百分点。 2 0 0 6 年瑞士达沃斯世界经济论坛公布了最新的“环境可持续指数 ，在全球1 4 4 个国家和地区的排序中，中国仅位居第1 3 3 位。报告指出，低产值、高污染的生产模式 将造成国家未富而资源、环境先衰。 1 1 2 环境压力 现有的能源除短缺告急之外，也对环保带来隐患。传统的发达国家在工业化的过程 中不仅曾大肆消耗能源，而且对世界环境也造成了恶劣的破坏：全球二氧化碳的过多排 放使得世界环境日趋恶化；一些以煤炭为主的能源结构不仅污染环境，还直接影响到水 资源的平衡，每挖一吨煤，就要破坏相当数量的地下水等等。这些都对全球社会的可持 续发展带来严重的隐患。 中国政府已经提出了到2 0 2 0 年全面建设小康社会的宏伟目标，而且把良好的生态 环境质量作为全面建设小康社会的一个重要内容。随着全面建设小康社会步伐的加快， 对能源生产和能源消费也提出了更高的要求。中国已经成为世界能源生产和消费大国。 2 0 0 2 年中国能源生产总量为1 3 9 亿t ( 标煤) ，居世界第三，能源消费总量1 4 8 亿t ( 标 煤) ，居世界第二【1 1 。相应的二氧化硫和二氧化碳排放量分别居世界第一位和第二位。 能源是国民经济发展的动脉，能源供应的安全及其污染控制直接影响全面建设小康社会 目标的实现，尤其是以煤炭为主的能源结构将大量排放传统大气污染物和温室气体，继 续成为影响区域环境质量和人体健康的重要因素，同时，随着人民生活水平的提高和城 市化进程的加快，交通运输排放所引起的城市环境问题在某些地区已经相当严重。 中国是一个发展中国家，按照世界各国发展经历，在全面建设小康社会、实现人均 g d p 达到3 0 0 0 美元过程中，中国的能源需求正处于持续增长阶段；中国目前大气环境 形势依然十分严峻，能源结构和过高的能源消费强度，使中国的大气污染防治面临着沉 大连理t 大学硕+ 学位论文 重的压力。中国传统的以煤炭为主的能源结构决定了能源消费活动中要排放大量污染 物，造成了城市环境质量恶化，不仅带来经济运行成本的增加，而且严重威胁到人民群 众的身体健康。能源活动对环境与健康的影响将是未来中国社会和经济发展的突出问题 之一。以煤为主的能源结构我国煤炭作为主要消费能源在短时期内难以转变，未来煤炭 仍将在整个能源过程中发挥不可替代的作用。这将导致大气污染物排放、水污染物排放 和二氧化碳排放在相当长的一段时间内不可避免。中国大气环境污染与能源消费有直接 的关系，从有关部门的统计来看，煤炭使用过程中产生的污染是中国最大的大气污染问 题。全国烟尘排放量的7 0 、二氧化硫排放量的9 0 、氮氧化物的6 7 、二氧化碳的 7 0 都来自燃煤。2 0 0 0 年，中国能源消费总量达到1 3 0 11 9 万t ，二氧化硫排放量为1 9 9 5 万t ，烟尘排放量达到l1 6 5 万t ，可以说，中国主要大气污染物的排放量都居世界第一 位，这将造成严重的大气污染和酸雨污染。 大气污染对健康的影响不容忽视。大气污染严重的地区，呼吸道疾病总死亡率和发 病率都高于轻污染区。慢性支气管炎症状随大气污染程度的增高而加重。1 9 7 4 1 9 8 2 年， 中国有关部门对大气污染重的二氧化硫粉尘浓度和人群死亡率逐年动态变化的关系进 行了调查，发现二氧化硫浓度每增加o 1 0 0 m g m 3 ( 基数是0 4 0 m g m 3 ) ，呼吸系统疾病 死亡人数将递增约5 。在中国1 1 个最大城市中，空气中的演出也能和细颗粒物每年使 五万人夭折，4 0 万人感染上慢性支气管炎。 能源污染会增加经济建设的成本。中国从2 0 世纪8 0 年代初开始研究环境污染造成 的经济损失。综合不同研究机构的研究成果，中国的大气污染损失已经占到g d p 的 2 3 。世界银行根据目前发展趋势预计，2 0 2 0 年中国燃煤污染导致的疾病需付出经济 代价达3 9 0 0 亿美元，占国内生产总值的1 3 。这应该引起中国政府的高度重视。 1 1 3 新能源的开发 面对即将到来的能源危机缓解环境压力，全世界都认识到必须采取开源节流的战 略，即一方面节约能源，另一方面开发绿色清洁新能源。从战略的角度看，节能减排 绝对不是中国一个国家的事情，节能减排是全球的。面对能源危机，许多国家都在下大 力气研究和开发利用“绿色能源 ，包括太阳能、生物质能源、风电、水电等新技术新 工艺，并且取得了相当可观的成就。目前“绿色能源 在全球能源结构中的比重已达到 1 5 2 0 ，今后由石油、煤炭和天然气能源唱主角的局面将得到改善。目前世界上对“绿 色能源”开发比较重视，拥有先进技术并己取得良好效益的国家主要集中在欧美。1 9 8 9 年到1 9 9 2 年，美国8 0 0 多家再生能源公司年收入就每年递增1 6 ，达到2 2 亿美元。能 源危机的现实压力令全世界都开始关注传统能源的替代品新能源。人们希望新能源 半导体温差发电装置的研制 能同时符合两个条件：一是储量丰富不会枯竭，二是安全、干净，不会威胁人类和破坏 环境。而这两大功能恰恰是化石能源目前所显露出的两大不足。在这个寻找以及运营管 理“新大陆 的过程中，新型科技仍然是不可缺少的手段。日本于1 9 9 8 年就制订了新 的能源战略，要点是努力实现合理有效的稳定供应，将石油需求比例逐步降低到4 7 ； 大力发展核电；积极开发新能源，使新能源的比例提高到3 。为应对石油危机，日本 于1 9 7 4 年提出了名为“阳光计划的新能源技术开发计划，此后日本又提出了“节能 技术开发计划 和“环境保护技术开发计划 。1 9 9 3 年，日本政府将上述三个计划合并 成了规模庞大的“新阳光计划 。该计划的主导思想是实现经济增长与能源供应和环境 保护之间的平衡。为保证计划的顺利实施，日本政府每年要为该计划拨款5 7 0 多亿日元， 其中约3 6 2 亿日元用于新能源技术开发。再生能源技术被作为“新阳光计划”的一大主 要研究课题。日本的再生能源技术研究包括太阳能、风能、波力发电、温差发电、生物 能和地热利用技术等。1 9 9 8 年末，日本的太阳能发电总量已达1 3 万千瓦，发电成本降 至每千瓦时8 2 日元。 欧盟2 0 0 3 年出具的年度科技发展报告中指出，欧盟将加快对清洁能源的投资，2 0 0 2 年末，欧洲风力发电已达到2 3 2 9 1 亿瓦。欧盟计划到2 0 2 0 年，使风能比重提高到2 0 。 在欧盟第六个环境行动计划中，将气候变化、自然和生物多样性、环境和健康、自然资 源和废物处理列为四个优先研究领域。 2 0 0 6 年美国总统布什提出了“先进能源计划 。该计划主要分为两个方面：首先是 通过发展生物燃料和燃料电池来解决交通运输对石油的依赖；其次是发展洁净煤技术、 核能和以太阳能、风能为主的可再生能源以解决电力供需矛盾。自此美国能源部在新能 源研究上增加了2 2 的资金支持，希望借此改变美国能源消费结构，通过对核能、太阳 能、风能的进一步研究和开发，生产更多的电能以替代石油，改变美国的“烧油瘾 。 2 0 0 6 年3 月，欧盟2 5 国领导人审议了能源政策绿皮书，一致同意建立欧盟共同能 源政策。绿皮书为未来的欧盟共同能源政策设立了3 个核心目标，即确保欧盟经济的可 持续发展、确保欧盟能源产业的竞争力、确保欧盟能源的供应安全。绿皮书鼓励能源的 可持续性利用、发展可替代能源、加大对节能、清洁能源和可再生能源的研究投入。事 实上，早在1 9 9 4 年4 月，欧盟的前身欧共体委员会就已经通过“清洁能源生产计划 ， 旨在支持清洁能源的生产和加强自然环境的保护。欧共体当时设立专项发展资金，大力 支持清洁能源生产技术的研究、开发和推广，从而达到既保证经济发展需要，又减少环 境污染的目的。 大连理下大学硕士学位论文 目前，欧洲各国在发展清洁能源方面不遗余力。他们试图通过各种途径，有效解决 全球能源价格不断上涨给各国政府带来的巨大压力。 法国能源相对贫瘠，石油和天然气蕴藏量有限，而煤炭资源早在上世纪5 0 年代便 逐渐枯竭。法国因此大力发展可再生能源，其主攻方向是风能、太阳能和生物能源。2 0 0 7 年法国可再生能源发电量达到2 5 6 1 兆瓦至7 8 1 0 兆瓦。法国政府计划到2 0 1 0 年i 可再 生能源发电量将占法国电力供应总量的2 1 。 德国资源也相对匮乏，石油和天然气主要依靠进口。为了应付能源紧张，德国政府 2 0 0 4 年出台了国家可持续战略发展报告，其中专门制定了“燃料战略替代燃料 和创新驱动方式 。“燃料战略 共提出四项措施：优化传统发动机、合成生物燃料、 开发混合动力技术和发展燃料电池。 早在2 0 0 3 年，英国政府就发布能源白皮书，宣布在今后几十年里，英国的能 源政策将大力向清洁、可再生能源方面倾斜，减少石油、煤炭和天然气等化石燃料和核 能的使用。 在西班牙，政府对可更新能源实行补贴，使西班牙成为世界上风力发电增长最快的 国家。业内专家指出，欧洲国家大力倡导可再生能源，无疑为清洁能源开发商创造了广 阔的发展空间。从目前的情况看，对于开发清洁能源的公司，欧洲将继续是一个有前途 的市场。 从目前世界的情况看，人们所掌握和开发应用的新能源主要有：太阳能、风能、水 能、地热能、潮汐能、燃气能、燃料电池、生物能、核能等等。这些新能源虽然有很多 优点，但各国还没有取得技术上的全面突破，至今还没有一种能源能取代现在普遍使用 的化石能源，只能作为现有能源的补充，因此，在不同的能源系统间切换以及不同的运 作模式都将带来管理以及运行的诸多问题，这就需要信息技术从中协调，实现新旧能源 间的协调使用。 1 2 我国的循环经济 循环经济是一种以资源的高效利用和循环利用为核心，以“减量化、再利用、资源 化 为原则，以低消耗、低排放、高效率为基本特征，符合可持续发展理念的经济增长 模式，是对“大量生产、大量消费、大量废弃”的传统增长模式的根本变革。从资源流 程和经济增长对资源、环境影响的角度考察，增长方式存在着两种模式：一种是传统增 长模式，即“资源产品废弃物 的单向式直线过程，这意味着创造的财富越多，消 耗的资源就越多，产生的废弃物也就越多，对资源环境的负面影响就越大；另一种是循 环经济模式，即“资源产品一废弃物一再生资源”的反馈式循环过程，可以更有效地 利用资源和保护环境，以尽可能小的资源消耗和环境成本，获得尽可能大的经济效益和 半导体温差发电装置的研制 社会效益，从而使经济系统与自然生态系统的物质循环过程相互和谐，促进资源永续利 用。 我国发展循环经济有其重要的战略意义。 党的十六大提出了全面建设小康社会的目标和任务。实现这一战略部署，必须紧紧 抓住和切实用好本世纪头2 0 年的重要战略机遇期。去年我国人均g d p 已超过1 0 0 0 美 元，开始向中低收入国家迈进。国际经验表明，从低收入国家步入中低收入国家行列的 阶段，对任何国家的成长来说都是一个极为重要的历史阶段，它既是一个“黄金发展时 期 ，又是一个“矛盾凸现时期 。特别是随着经济快速增长和人口不断增加，水、土 地、能源、矿产等资源不足的矛盾会越来越突出，生态建设和环境保护的形势日益严峻。 面对这种情况，按照科学发展观的要求，大力发展循环经济，加快建立资源节约型社会， 就显得尤为重要、尤为迫切。、 发展循环经济是缓解资源约束矛盾的根本出路。我国资源禀赋较差，虽然总量较大， 但人均占有量少。国内资源供给不足，重要资源对外依存度不断上升。一些主要矿产资 源的开采难度越来越大，开采成本增加，供给形势相当严峻。改革开放以来，我们用能 源消费翻一番支撑了g d p 翻两番。到2 0 2 0 年，要再实现g d p 翻两番，即便是按能源 再翻一番考虑，保障能源供给也有很大的困难。如果继续沿袭传统的发展模式，以资源 的大量消耗实现工业化和现代化，是难以为继的。研究表明，如果采取强化节能的措施， 大幅度提高能源利用效率，到2 0 2 0 年使万元g d p 能耗由2 0 0 2 年的2 6 8 吨标准煤降低 到1 5 4 吨标准煤，那么能源消费总量就能控制在3 0 亿吨标准煤；再生铝比重如果能从 目前的2 1 左右提高到6 0 ，就可替代3 6 4 0 万吨的铝矿石需求。为了减轻经济增长对 资源供给的压力，必须大力发展循环经济，实现资源的高效利用和循环利用。 发展循环经济是从根本上减轻环境污染的有效途径。当前，我国生态环境总体恶化 的趋势尚未得到根本扭转，环境污染状况日益严重。水环境每况愈下，大气环境不容乐 观，固体废物污染日益突出，城市生活垃圾无害化处理率低、农村环境问题严重。大量 事实表明，水、大气、固体废弃物污染的大量产生，与资源利用水平密切相关，同粗放 型经济增长方式存在内在联系。据测算，我国能源利用率若能达到世界先进水平，每年 可减少二氧化硫排放4 0 0 万吨左右；固体废弃物综合利用率若提高1 个百分点，每年就 可减少约1 0 0 0 万吨废弃物的排放；粉煤灰综合利用率若能提高2 0 个百分点，就可以减 少排放近4 0 0 0 万吨，这将使环境质量得到极大改善。大力发展循环经济，推行清洁生 产，可将经济社会活动对自然资源的需求和生态环境的影响降低到最小程度，从根本上 解决经济发展与环境保护之间的矛盾。 大连理工大学硕士学位论文 发展循环经济是提高经济效益的重要措施。目前我国资源利用效率与国际先进水平 相比仍然较低，突出表现在：资源产出率低、资源利用效率低、资源综合利用水平低、 再生资源回收和循环利用率低。比如，按现行汇率计算，2 0 0 3 年我国g d p 约占世界的 4 ，但重要资源消耗占世界的比重却很高，石油为7 4 、原煤3 1 、钢铁2 7 、氧化 铝2 5 、水泥4 0 。即使剔除一些不可比因素，我国资源利用率与世界先进水平仍有较 大差距。目前，我国矿产资源总回收率为3 0 ，比国外先进水平低2 0 个百分点，共伴 生矿产资源综合利用率为3 5 左右。实践证明，较低的资源利用水平，已经成为企业降 低生产成本、提高经济效益和竞争力的重要障碍；大力发展循环经济，提高资源的利用 效率，增强国际竞争力，已经成为我们面临的一项重要而紧迫的任务。 发展循环经济是应对新贸易保护主义的迫切需要。在经济全球化的发展过程中，关 税壁垒作用日趋削弱，包括“绿色壁垒在内的非关税壁垒日益凸显。近几年，一些发 达国家在资源环境方面，不仅要求末端产品符合环保要求，而且规定从产品的研制、开 发、生产到包装、运输、使用、循环利用等各环节都要符合环保要求，对我国发展对外 贸易特别是扩大出口产生了日益严重的影响。我们要高度重视，积极应对，尤其是要全 面推进清洁生产，大力发展循环经济，逐步使我国产品符合资源、环保等方面的国际标 准。 发展循环经济是以人为本、实现可持续发展的本质要求。传统的高消耗的增长方式， 向自然过度索取，导致生态退化、自然灾害增多、环境污染严重，给人类的健康带来了 极大的损害。要加快发展、实现全面建设小康社会的目标，根本出发点和落脚点就是要 坚持以人为本，不断提高人民群众的生活水平和生活质量。要真正做到这一点，必须大 力发展循环经济，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力 资源优势得到充分发挥的新型工业化道路。让“人民喝上干净的水、呼吸清洁的空气、 吃上放心的食物，在良好的环境中生产生活 。 总之，发展循环经济有利于形成节约资源、保护环境的生产方式和消费模式，有利 于提高经济增长的质量和效益，有利于建设资源节约型社会，有利于促进人与自然的和 谐，充分体现了以人为本，全面协调可持续发展观的本质要求，是实现全面建设小康社 会宏伟目标的必然选择，也是关系中华民族长远发展的根本大计。我们要从战略的高度 去认识、用全局的视野去把握发展循环经济的重要性和紧迫性，进一步增强自觉性和责 任感。 本文选题正是基于循环经济的角度，开发环境友好性、能源循环的发电方式，以期 在我国迈入小康社会的循环经济浪潮中，对能源开发和保护环境方面做坚实的支柱。 半导体温差发电装置的研制 1 3温差发电一种新型环境友好型能源技术 温差发电是一种利用热能发电的技术。这种技术通过热电材料，将热能直接转化为 动能，与主流发电方式不同，它无废弃物的排放，无噪声，工作安全可靠稳定，是对热 能的回收再利用。因此，它是环境友好性发电方式，温差电能是绿色清洁的能源。温差 发电技术的发展起步于2 0 世纪初，当时在热电材料的研究突破了金属的限制，半导体 在热电转化中体现的优良特性决定了它在温差发电中不可替代的地位。到目前为止，温 差发电技术在许多方面的应用都有了很大的进展，甚至很成熟。 早期，温差发电由于材料成本昂贵等因素的制约未能在工业上大面积采用，只是在 军事与航天领域、远离城市的边远寒冷地区，以及海上作业平台等特殊场合应用较多； 后来，随着热电材料的发展更新，温差发电的成本逐渐降低了，受到了人们的高度重视， 开始从军事航天领域向工业和民用方向普及。 目前温差发电的应用领域有以下几方面【2 叫： ( 1 ) 军事与航天领域 人们从2 0 世纪中叶以来不断将目标投向更远的星球甚至是太阳系以外的远程空间， 这些环境中太阳能电池很难发挥作用，而热源稳定、结构紧凑、性能可靠、寿命长的放 射性同位素温差发电系统则成为理想的选择。因为一枚硬币大小的放射性同位素热源， 就能提供长达2 0 年以上的连续不断的电能，从而大大减轻了航天器的负载，这项技术 已先后在阿波罗登月舱、先锋者、海盗、旅行者、伽利略和尤利西斯号宇宙飞船上得到 使用。放射性同位素发电机在军事方面的应用也不可小视。早在2 0 世纪8 0 年代初， 美国就完成了5 0 0 w 1 0 0 0 w 军用温差发电机的研制，并于8 0 年代末正式列入部队装备， 其设计工作深度达l o k m ，功率不小于1 w ，寿命长达1 0 年，放在深海中为美国导弹定位 系统网络的组成部分玩线电信号转发系统供电。1 9 9 9 年，美国能源部又启动了“能 源收获科学与技术项目 ，研究利用温差发电模块，将士兵的体热收集起来用于电池充 电。 ( 2 ) 远离城市的边远寒冷地区应用 我国至今仍有少数边远山区、高原地区、高山哨所、高原气象站等远离城市的地方 不通电。即使在发达国家这种情况也存在。瑞典北部，仍然有很多家庭生活在无电力环 境中，电力引入的费用大，不经济。瑞典政府为了解决这部分住户的用电问题，实施了 温差发电计划。将多个温差发电模块放在炉子的顶部和四周，并与变换电路及蓄电池系 统相连就基本可保证一个家庭的生活用电。挪威国防科学研究院成功研制了烧木炭和烧 大连理t 大学硕十学位论文 劈柴的小型温差发电机，它们将有多种用途，既可作军用，也可作为边远地区民用。由 于无须用燃油，使用十分灵活，其功率约为1 2 0 w 。 ( 3 ) 汽车尾气发电机 日本开发了利用小汽车尾气废气发电的小型温差发电机。功率为1 0 0 w ，可节省燃 油5 ，美国宣布试制出了用于大货车柴油发动机尾气系统的温差电机，最大功率输出 可达到1 0 0 0 w 。 ( 4 ) 工业余热废热发电 当前，工业废热的利用已成为一个紧迫的问题，因为惊人的浪费不仅过量地消耗了 资源，而且污染环境，在内燃机、气轮机等热机燃料所产生能量的5 0 以上都被浪费了， 在钢铁工业、水泥工业、各种气体输送压缩泵站，废热也是巨大的，特别值得关注的还 有垃圾焚烧炉的热利用问题。这类废热的温度都较低，因而温差发电的优越性得己显现 出来， 而这也是最有说服力的“变废为宝，由于原料费用几近为零、运行成本很低，它 完全可以实现与现存发电方式的商业竞争。看到这一前景，日本、美国近几年来开展了 一系列低品位热和废热、余热资源的利用项目。利用热源遍及化工厂、钢铁工业、水泥 工业、造纸业、石油冶炼业等行业产生的工业余热，富含有机可燃物、“资源效益”极 为可观的垃圾焚烧热，在汽车尾气、冷却水、润滑油和热辐射中散失的汽车余热，太阳 辐射热、海洋温差热、地热等自然热，以及其它分散热源例如沐浴剩余水的余热、家用 取暖炉的散热等。 当前国际研究现状是美日两国对热电材料与工程研究投入的最多。前文谈到美国的 研究在军事和航天方面很突出。除此以外理论和高科技方面也有迅猛的发展。1 9 9 3 年 美国麻省理工学院的一位教授从理论上预言，在纳米尺度下，半导体材料的热电优值系 数可大大提高，甚至可能比当前值提高3 5 倍，若果真如此，则温差发电机的效率将大 大提高，其经济可行性将能达到足以与内燃机驱动发电机竞争的地步，这将在能源工业 特别是电力的生产方面引起革命性的变化。其后，美国的许多研究机构立即开展了实验 研究，基本上证实了其原理。但离达到工业规模生产出相应的材料还有相当大的距离。 当前在美国海军部强有力的经费支持下，美国开始了新的一轮热电材料研究，其特点是 以m i t 教授理论为基础，采用各种高科技手段制各纳米结构的热电材料，研究其性能， 同时探索工业化生产的途径，估计在3 5 年内可能有突破性进展。届时必然引起电力和 能源方面的高科技革命。日本的研究侧重于废热利用，同时相应地着力于耐高温的陶瓷 温差电材料的研究。日本近几年的工作可归结为在“日本固体废物燃烧能源回收研究计 划 等政府计划的框架之内，主要研究用于日本固体废物焚烧炉的温差发电技术，他们 半导体温差发电装置的研制 提出的目标有：热电转换器的能量转换效率高于5 1 工作寿命至少1 5 年；在上述寿命 期内每天至少一次循环运转；发电器大规模制造成本应降低至o 4 一o 5 百万日元k w 。 + 。此外，日本各大学和研究机构在温差发电的材料基础研究和工业生产技术应用基础 方面也作了大量工作，如研制出了各种构型的温差电模块，十分接近实用。国际上有很 多大学科研机构与工业研究所正从事温差发电材料与工程研究【_ m 引，如日本的n a g o y a 技 术研究所，日本国防科学院材料科学与工程部；美国的h i z 工业公司，m i t 电子工程与 计算机科学系，m i t 物理系，东北大学物理与天文学系、材料研究中心，海军研究实验 室，通用马达研究开发中心物理与物理化学分部，海军水面战斗中心；英国的威尔士大 学；德国的杜斯伯格g e r h a r d m e r c a t o r 大学固体物理实验室；瑞典的皇家工业研究院；乌 克兰的热电研究所；俄罗斯的约飞物理技术研究所等。国际上每年召开一次温差发电的 国际会议，由i e e e 主持，每届会议学术论文1 0 0 2 0 0 篇。 我国在温差发电领域的研究相对脚步缓慢。这主要是因为我国在军事高技术研究能 力方面相对落后，未能刺激起足够的需求。随着国际学术交流的广泛开展，国内不少学 者到国外接触了相关技术。中国经济正面临一个前所未有的大发展时期，而高科技是促 进当前国民经济发展的最为活跃的持续起作用的原动力。作为一种环境友好的节能技 术，温差发电可能在人类2 1 世纪能源技术方面起到十分重要的作用，在军事、航天和其 它科研领域也具有潜在应用价值。目前国际上己开始将温差发电推向工业应用的阶段， 这对于我国既是机会又是挑战。我们有必要也有能力迎头赶上，在这一高技术领域有所 作为，以确立我国在该技术领域应有的地位。 大连理t 大学硕十学位论文 2 热电转换基本原理与温差发电 2 1热点转换基本原理 热电效应，又称温差电效应，在无外磁场时包括五个效应塞贝克效应( s e e b e c k e f f e c t ) 、珀尔帖效应( p e l t i e re f f e c t ) 、汤姆逊效应( t h o m s o ne f f e c t ) ，焦耳效应( j o u l e e f f e c t ) 和傅里叶效应( f o u r i e r e f f e c t ) 。基于热电效应的原理，可以实现热能与电能之 间的转换。 2 1 1 塞贝克效应 1 8 2 1 年，德国科学家塞贝克报导了一个有趣的实验结果：当把一个由两种不同导体 构成的闭合回路置于指南针附近时，若对该回路的其中一个接头加热，指南针就会发生 偏转【2 4 1 。随后的研究发现，回路中存在电动势。人们将这个电动势叫做塞贝克电动势， 并称这个现象为塞贝克效应。 楮鹳l b 。五 y 0 u 图2 1 塞贝克效应示意图 p i c 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs e e b e c ke f f e c t 如图2 1 所示，有1 ，2 两种不同材料构成的电路，若a ，b 两个连接点之间存在温 差t ，则在x ，y 之间会产生塞贝克电动势或温差电动势( t h e r m o e l e c t r i cp o w e r ) a u ， u 的大小与连接点的温差成正比，比例常数为塞贝克系数口，也叫温差电动势率 ( t h e r m o e l e c t r i cc o e f f i c i e n t ) ，其值为： 口l i r a 坐：坐 ( 2 1 ) 口，= l z 1 夕 ，加丁 d 丁 单位为v k ，但通常这个数值比较小，所以更常用的单位是k 。 半导体温差发电装置的研制 塞贝克系数是有构成回路的一对材料形成的，所选材料不同，塞贝克系数不同，同 时电位的正负也可能发生变化，因此，塞贝克系数由数值和符号两部分构成。规定：同 一接头处，若电流由导体b 流入导体a ，则塞贝克系数口赫就为负。事实上，如果对所 有材料都赋予塞贝克系数的绝对值就方便多了。这样，热电偶由两种不同材料组成，则 结点的塞贝克系数为两种材料塞贝克系数绝对值的差。假设一种材料与某塞贝克系数绝 对值为0 的理想材料结合在一起，就可以得到这种绝对值。实际上，这种理想材料只能 是处在极低温度下的超导体。在这样的温度下进行测量并用外插法推算到室温。当对铜 进行这样的测量时，得到室温下绝对塞贝克系数为2 工, v i ( t 2 5 1 。由于这个数值在所希望 的测量精度之内，所以通常都以铜作为基准材料来测量，把所得到的结果当作绝对塞贝 克系数。表2 1 中列出了一些材料的塞贝克系数。 表2 1常见材料的塞贝克系数2 4 】 t a b 2 1s e e b e c kt o e m c i e n t so ft h em o s tc o m m o nt h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a l s 一般由纯金属构成的热电偶口 的平均值约为2 0 ，, v i ( ；由合金材料构成的热电偶， 口1 2 的平均值约为s o , i v i , ：；而对于半导体材料，口1 2 可达1 0 0 0 k 【2 6 。 2 1 2 珀尔帖效应 塞贝克效应发现1 2 年以后，也就是1 8 3 4 年，发过科学家珀尔帖发现了与塞贝克效 应相反的现象【2 4 】：用两块不同的导体联接成电偶，并接上直流电源，当电偶上流过电流 时，会发生能量转移现象，一个接头处放出热量变热，另一个接头处吸收热量变冷，这 种现象称作珀尔帖效应。 大连理工大学硕士学位论文 若在图2 1 中的x 、y 两端施加一个电动势，在1 和2 两种导体构成的回路中将会 有电流i 流过，同时还将伴随着在两导体的其中一个接头处出现吸热，而在另一个接头 处发生放热的现象。假设接头处的吸热( 或放热) 速率为q ，实验发现，该吸( 或放) 热速率q 与回路中的电流i 成正比，即 q = 石l d ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中7 ：为比例常数，定义为珀尔帖系数，即 万1 2 - 旱 ( 2 3 ) 接点上吸放热取块于电流方向 图2 2 珀尔帖效应示意图 p i c 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fp e l t i e re f f e c t 显然，珀尔帖系数的物理意义是单位时间内单位电流在接头处所引起的吸( 或放) 热量。珀尔帖系数的单位是w a ，因而也可以用电压的单位v 表示。 珀尔帖系数和塞贝克系数一样，也取决于构成回路的一对材料。同时，对万，也有 一个规定符号的问题，这必须与口，一致。通常规定，电流在接头a 处由导体1 流入导 体2 时，接头a 从外界吸热( 接头b 向外界放热) ，则