朱冬生-太阳能温差发电技术的研究进展及现状.doc

太陽能溫差發電技術的研究進展及現狀朱冬生1，王長宏2（1 華南理工大學化學與化工學院傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室/教授）（2 華南理工大學化學與化工學院傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室/博士）（1 通訊聯繫人：朱冬生教授，電話: E-mail: ）摘 要太陽能溫差發電技術是一種綠色環保的發電方式，它結合相變儲能技術，利用太陽能直接發電，形成先進高效的太陽能溫差晶片連續發電儲熱系統。與光伏發電技術和熱發電技術相比，具有使用壽命長、小型化、分散、適應性強、成本低及可進行晝夜連續發電等優點。本文介紹了太陽能溫差發電技術的原理，回顧了溫差發電技術的研究進展及現狀，對溫差發電中存在的發電效率低、晶片使用壽命短、可靠性不高等問題進行了分析，並提出了解決的辦法。同時指出隨著熱電材料性能的提高，溫差發電技術的優勢更加明顯，應用前景廣闊。關鍵字：溫差發電，熱電材料，發電效率，可靠性Research progress of solar energy power thermoelectric generationtechnologyAbstract: Thermoelectric generation is an environment-friendly source which can rationallymake use of low-grade waste heat energy such as solar power, geothermal energy and industrial waste heat and so on, for generating electrical energy. The principle of thermoelectric generation is presented, and the research situation at both home and abroad is introduced in this paper. The existed problems such as the low conversion efficiency and the short lifetime and the reliability of the thermoelectric module are analyzed in detail. Then the common solutions of these problems are presented. One conclusion is made that with the improvement of the thermoelectric materials performance, thermoelectric generation will have broad prospects.Keywords: thermoelectric generation, thermoelectric material, TEG conversion efficiency,Reliability壹、前言隨著能源與環境問題的日益突出，公眾環保意識的增強，特別是溫室效應問題，世界各國為尋求能源安全和人類社會可持續發展，將戰略目光轉向可再生能源的開發。溫差晶片發電技術是一種直接將熱能轉化為電能的發電技術，具有無運動部件、體積小、重量輕、移動方便和可靠性高等特點,是綠色環保的發電方式。發達國家重視溫差發電技術在民用領域的研究，並取得了長足的進展。國內溫差發電方面的研究起步較晚，主要集中在發電器理論和熱電材料製備方面的研究，雖然我國是世界上最大的半導體熱電器件輸出國，但是在溫差發電器綜合設計和應用方面的研究還很欠缺，因此研究溫差發電有著非常現實的意義。新型太陽能溫差晶片發電系統採用相變儲能技術，它利用太陽能直接發電，發電裝置本身沒有運動部件，與光伏發電技術和熱發電技術相比，具有使用壽命長、小型化、分散、適應性強、成本低等優點，而其顯著特點是可進行晝夜連續發電，將半導體溫差晶片發電系統與相變儲能系統相結合，形成先進高效的太陽能溫差芯片連續發電儲熱系統，對太陽能熱發電技術的進一步完善具有重要意義，可產生巨大的社會和經濟效益。本文介紹了太陽能溫差發電技術的原理，回顧了溫差發電技術的研究進展及現狀，以常見的商用晶片為例，對溫差發電中存在的發電效率低、晶片使用壽命短、可靠性不高等問題進行了分析，並提出了應對策略。隨著熱電材料性能的提高，溫差發電應用前景廣闊。貳、工作原理溫差發電是基於熱電材料的塞貝克效應發展起來的一種發電技術，將P 型和N 型兩種不同類型的熱電材料（P 型是富餘空穴材料，N 型是富電子材料）一端相連形成一個PN 結，如圖1，置於高溫狀態，另一端給予低溫，則由於熱激發作用，P（N）型材料高溫端空穴（電子）濃度高於低溫端，因此在這種濃度梯度的驅動下，空穴和電子就開始向低溫端擴散，從而形成電動勢，這樣熱電材料就完成了將高低溫端間的溫差直接轉化成電能的過程。單獨的一個PN 結，可形成的電動勢很小，而如果將很多這樣的PN結串聯起來，就可以得到足夠高的電壓，成為一個溫差發電器。太陽能溫差晶片連續發電系統如圖2 所示，由槽式集熱器A，玻璃管道B，溫差芯片C，儲能材料D，溫差晶片組E，玻璃管道F 組成。管道B 和F 接通風管道風機，關閉時保溫，打開時分別冷卻溫差晶片組C 的下端面板和晶片組E 的上端面板。白天玻璃管道B 封閉保溫，讓溫差晶片C 下端面板吸熱，C 上端面板散熱給儲能材料D，儲能材料給溫差晶片組E 的下端面板供熱，溫差晶片組E 的上端面板散熱給管道F 空氣環境。白天BCDEF 溫度逐漸降低，形成C 和E 2 組溫差晶片發電；晚上玻璃管道B 通空氣，讓溫差晶片C 下端面板散熱，儲能材料D 給溫差晶片組C 上端面板和溫差晶片組E 下端面板供熱，溫差晶片組E 的上端面板散熱給管道F 空氣環境。夜間DCB 與DEF 溫度逐漸降低，也形成C 和E 2 組溫差晶片發電。通過自動控制系統，檢測ABCDEFG 溫度，分析儲能材料D 玻璃管道BF 和環境空氣G 的溫差，來確定管道玻璃管道B 和F 抽真空保溫，還是通冷卻空氣，確保溫差晶片C 和E 發電所需要兩端溫差條件。新型太陽能溫差晶片發電系統採用相變儲能技術，它利用太陽能直接發電，發電裝置本身沒有運動部件，與光伏發電技術和熱發電技術相比，具有使用壽命長、小型化、分散、適應性強、成本低等優點，而其顯著特點是可進行晝夜連續發電，將半導體溫差晶片發電系統與相變儲能系統相結合，形成先進高效的太陽能溫差晶片連續發電儲熱系統。參、溫差發電技術的研究進展一、國外研究進展自1821 年Seebeck 發現塞貝克效應以來，國外對溫差發電進行了大量的研究，1947年，第一台溫差發電器問世，效率僅為1.5%1。1953 年，Loffe 院士研究小組成功研製出利用煤油燈、拖拉機熱量作熱源的溫差發電裝置，在用電困難地區作小功率電源之用2。隨著能源危機和環境污染的加劇,人們開始關注溫差發電在廢餘熱利用中的價值，很多國家已將發展溫差電技術列為中長期能源開發計畫。日本開展了一系列以“固體廢物燃燒能源回收研究計畫”為題的政府計畫，研究用於固體廢物焚燒爐的廢熱發電技術，將透平機和溫差發電機結合，實現不同規模垃圾焚燒熱的最大利用3。2003 年11 月美國能源部宣佈資助太平洋西北國家實驗室、密西根技術大學等單位，重點支援他們在高性能熱電材料和應用技術方面的研究，特別是工業餘熱廢熱的利用4。近年來，對低品位熱源的利用成為溫差發電技術研究的大方向。Maneewan 等5利用置於屋頂的鋼板吸收太陽能集熱升溫與環境之間的溫差發電，帶動軸流風機引導屋頂空氣自然對流，從而給屋頂降溫。Rida 等6將溫差發電器熱端與該國一種做飯的火爐外壁連接，冷端置於空氣中，利用爐壁高溫與環境的溫差來發電，輸出功率達4.2W。Hasebe 等7利用夏日路面高溫做熱源，熱交換管為集熱器，採用19 組發電模組，在熱管管內液體流速為0.7L/min時，輸出功率3.6W。Ikoma 等8在汽車發動機上安裝72 組SiGe 材料溫差發電模組，最大溫差123，最大輸出功率86.4W。Thacher 等9在美國能源部和紐約州能源研究開發權利機構資助下開發的汽車尾氣餘熱發電系統，使用20 組HZ-20 熱電模組，熱電材料為Bi-Te 基材料，汽車時速112 公里時，最大溫差173.72，最大輸出功率255.1W 。2006 年，BSST 的科學家和BMW 聯合宣佈，商用的汽車溫差發電器將於2013 年投入使用。Douglas 等10針對熱源動態變化情況，設計出多模組交互回路溫差發電器，較單一模組溫差發電器，在相同熱源下，輸出功率最大提高25%。二、國內研究進展國內在溫差發電方面的研究起步相對較晚，主要集中在理論和熱電材料的製備等方面的研究。陳金燦課題組從20 世紀80 年代開始對溫差發電器的基礎理論進行研究，對溫差發電器的性能進行優化分析，得到很多有意義的成果11-16。屈健等17研究了不可逆情況下發電器的輸出功率和效率隨外部條件的性能變化規律。李玉東等18提出從火用的角度對低溫差下發電器的工作性能進行分析。賈磊等19提出低溫及大溫差工況下湯姆遜熱對輸出功率的影響不可忽略的觀點。賈陽等20建立溫差發電器熱電耦合分析模型,以數值計算的方法分析了熱電材料物性參數及其變化對發電器工作特性的影響,得出結論：材料的導熱係數、電阻率及塞貝克係數對發電器轉換效率的影響均為非線性規律, 其中導熱係數的影響最明顯。任德鵬等21分析了溫差發電器的熱環境、回路中負載電阻等參數及溫差電單體對的連接方式對發電器工作性能的影響，得出提高溫差發電器熱端加熱熱流或增加冷端的換熱係數均能提高發電器的輸出功率及熱電轉換效率的結論。蘇景芳22研究了系統與環境，系統與系統之間的熱流關係，對系統的性能特性作出優化，建立溫差發電器優化設計模型。錢衛強23通過對低品位熱源半導體小溫差發電器性能的研究，總結了電動勢、內阻及輸出功率等參數隨外電路、溫度、發電片幾何尺寸等因素的變化規律，另外研究了串、並聯情況下發電模組的性能。李偉江24從非平衡熱力學角度出發，建立單層多電偶發電器在低溫差下穩定工作的模型。研究溫差發電器在內部結構和外部換熱條件變化情況下的運行規律，與實驗相結合，得出：最佳匹配係數下，輸出功率和發電效率均隨最大溫差近似呈線性變化，同時指出解決發電效率低的問題根本上依靠材料性能的改善。剛現東25理論分析和實驗研究相結合，通過模擬坦克排氣筒附近區域製冷狀況，由降溫情況評估紅外隱身效果，得出以坦克尾氣餘熱為熱源將溫差電技術應用於坦克紅外隱身完全可行的結論。肆、溫差發電技術不足及解決辦法溫差發電技術在低品位能源利用上的優勢，使其得到廣泛關注，應用領域也越來越廣，但是溫差發電器存在發電效率低、晶片使用壽命短、可靠性不高等問題。一、發電效率低目前，溫差發電的效率一般為57%，遠低於火力發電的40%26。最主要的原因是熱電材料性能不理想，另一方面是發電器的匹配問題。熱電材料作為熱電器件的核心部分，性能的好壞直接決定器件效能的優劣。優值ZT 是衡量熱電材料性能最重要的參數。ZT 值越高，材料的熱電性能越好，能量轉換效率越高27。Terasaki 等28首次發現NaCo2O4 單晶在室溫下具有較高的Seebeck 係數(100v/k), 較低的電阻率(200m/cm)和較低的熱導率，但是NaCo2O4 在空氣中易潮解且超過1073K 時易揮發。Funahashi 的研究預測：Ca2Co2O5 在T873K 時，ZT=1.22.729。准晶體熱電材料1984 年由Shechtman30等首次發現，這種材料熱力學穩定性好，電阻率高，具有負的導熱係數，故導電性能好，導熱性能差。有研究預言室溫下可得到ZT=1.6的准晶體熱電材料。超晶格是由兩種材料的半導體單晶薄膜週期性交替生長形成的多層異質結構，每層薄膜含幾個以至幾十個原子層。由於這種特殊結構，半導體超晶格中的電子（或空穴）能量將出現新的量子化，進而引起態密度的提高，因此超晶格材料具有許多新的特性31。Dresselhaus 32對Bi 納米線及量子阱系統的大量研究後預言，通過超晶格量子限制效應可以得到ZT 值大於3 的材料。納米熱電材料是熱電材料的另一研究熱點，趙新兵等33研究發現傳統Bi-Te 基熱電材料中添加15%的含有Bi2Te3 納米管的粉末，可以使材料的熱電性能提高20%左右。Cao34等採用水熱合成法熱壓後得到ZT=1.28 的(Bi,Sb)2Te3 納米熱電材料。ZHAO 等35通過納米粉末摻雜，制得ZT 值均超過1.5 的Bi2Te3-Sb2Te3 和GeTe-AgSbTe2 納米結構材料。溫差發電器的輸出功率和發電效率與高溫端溫度（Th）,低溫端溫度（Tc），溫差發電回路電流（I），負載u30005 .阻（R），發電器內阻（r）等因素密切相關。在不同條件下，溫差發電器的性能差別較大。屈健等17應用有限時間熱力學理論對半導體溫差發電器的工作性能進行了分析,得到溫差發電存在最佳參數工作區的結論。潘玉灼等13採用非平衡態熱力學優化控制理論分析溫差電模型，數值類比結果表明：最匹配參數工作條件下輸出功率和發電效率可分別提高39%和20%。發電器熱設計也是影響發電效率的重要因素。為了保持較高的溫差，往往在發電器低溫端增加散熱裝置，以使熱量及時散失。Chein36研究指出當器件熱阻大於散熱器最大熱阻時，散熱器將不能夠散走器件產生的熱量，因此與溫差發電器匹配的冷端散熱方式也是影響發電器性能的重要因素。二、可靠性問題以常見的三明治式晶片為例，要達到較高的發電效率，通常要求發電片冷熱端之間形成較大溫差，這將造成冷端連接片收縮或熱端連接片膨脹，從而產生機械應力。機械應力的存在使得剛性的P、N 電臂很容易斷裂，最終可能導致溫差電偶的損壞，從而縮短了溫差發電片的使用壽命。熱脹冷縮產生的機械應力是不可能完全消除的，只能從電偶結構的改善上加以考慮。焊接處至少存在熱電材料、焊料和連接片材料三種物質。濕氣進入，在冷接頭附近結露，形成原電池，從而在接頭處產生電解腐蝕作用，導致焊接處電阻增大，最終焊接頭完全損壞。最好使晶片工作在真空下，或者採用充灌泡沫塑料、環氧樹脂等加以保護27。高溫可以加速器件的損壞,報導，300K 時，雜質的擴散速率為10-6cm/s。雜質擴散引起材料塞貝克係數和電導率迅速減小。目前常用的解決辦法是在銅連接片和元件端面鍍鎳，但是鍍鎳工藝不理想37。伍、結語結合目前太陽能溫差發電技術的研究進展，可以從三個方面展開工作：(1) 著重溫差晶片PN 兩極熱電材料和兩端封裝面板兩個方面傳熱特性研究。 (2)通過ANSYS 數值仿真模擬和實驗研究相結合的辦法，對溫差發電器相關參數進行優化，同時高低溫端合理熱管理。(3)溫差發電應用日益廣泛，作為系統的一部分，晶片可靠性問題不容忽略。結構的改善可以有效地減小機械應力，同時一些輔助措施可以降低環境因素的影響，但依然有許多需要完善的工作。陸、參考文獻1 高敏,張景韶, Rowe D.M. 溫差電轉換及其應用 M . 北京: 兵器工業出版社, 19962 湯廣發, 李濤, 盧繼龍. 溫差發電技術的應用和展望J. 製冷空調與電力機械, 2006,27(112)：08113 Kyono T. Suzuki R O, Ono K. Conversion of unused heat energy to electricity by means of thermoelectric generation in condenserJ. IEEE Transactions on Energy Conversion.2003,18(01):3303344 Masahide M. Michio M. Masaru O. Thermoelectric generator utilizing automobile engine exhaust gasJ.Thermal Science and Engineering, 2001,09(02):17185 Maneewan S, Khedari J,Zeghmati B, et al. Investigation on generated power of thermoelectric roof solar collectorJ. Renewable Energy, 2004,29(01):7437526 Rida Y Nuwayhid, Alan Shihadeh, Nesreen Ghaddar. Development and testing of a domestic woodstove thermoelectric generator with natural convectioncoolingJ. Energy Conversion and Management, 2005,46：163116437 Hasebe.M,Kamikawa.Y,Meiarashi.S.Thermoelectric Generators Using Solar Thermal Energy in Heated Road PavementC.2006 International Conference on Thermoelectrics,6977008 Ikoma K, Munekiyo M, Furuya K. Thermoelectric module and generator for gasoline engine vehicleC.Proc.17th Int.Conf. Thermoelectrics IEEE, Nagoya, Japan,1998,25(01)：4644679 Thacher E F,Helenbrook B T, Karri M A, et al.Testing of an automobile exhaustthermoelectric generator in a light truckJ. Journal of Automobile Engineer. 2007, 221(01)：9510710 Douglas T Crane. Design to Maximize Performance of a Thermoelectric Power Generator With a Dynamic Thermal Power SourceJ. Journal of Energy Resources Technology. MARCH 2009, 131.(01): 010811 陳金燦,嚴子俊. 半導體溫差發電器性能的優化分析. 半導體學報,1994, 15 (02) : 12312912 吳金清，陳金燦，嚴子俊.半導體溫差發電器的輸出功率J.廈門大學學報. 1996,35(02) : 21021313 潘玉灼,林比宏.結構參數與不可逆性對熱電發電器性能的影響J.泉州師範學院學報(自然科).2006.24(06):131814 林比宏.太陽能半導體溫差發電器的輸出功率J.泉州師範學院學報.2002, 20(06): 202515 林比宏，陳曉航.陳金燦. 太陽能驅動半導體溫差發電器性能參數的優化設計J. 太陽能學報.2006,27(10): 1021102616 周穎慧. 新型半導體溫差發電器的優化設計J.廈門大學學報(自然科學版).2001,40(04):88288717 屈 建,李茂德,樂 偉等. 半導體溫差發電器的工作性能優化J . 低溫工程, 2005,(02):202318 李偉江,李玉東,臘 冬等. 低溫差下半導體溫差發電器火用分析J, 能源技術. 2006, 27(05) :19820119 賈磊, 陳則韶, 胡芃等. 半導體溫差發電器件的熱力學分析J. 中國科學技術大學學報,2004 ,34(03):68468820 賈陽,任德鵬. 溫差發電器中熱電材料物性的影響分析J.電源技術, 2008,32.(04):25225621 任德鵬, 賈陽.溫差發電器工作特性的數值研究J. 航天器工程 , 2008,17.(04):566122 蘇景芳.半導體製冷及溫差發電器件的電腦輔助設計D.華中科技大學.碩士.200423 錢衛強. 低品位熱源半導體小溫差發電器性能研究D. 大連理工大學. 碩士.200624 李偉江.低溫差下半導體溫差發電模組性能分析與實驗研究D.同濟大學. 碩士.200725 剛現東.利用車輛尾氣餘熱的紅外方法研究D.南京理工大學. 碩士.200626 王長善.幾種新能源發電技術J. 農村電氣化, 2008,(05):535427 徐德勝等.半導體製冷與應用技術D.上海交通大學出版社.199928 Terasaki. Large thermoelectric power in NaCo2O4 single crystals. Physical Review. B, Condensed Matter,1997, 56 (20) : 12685-1268729 Funahashi R, Matsubara I, Ikuta H, et al. An oxide single crytal with high thermoelectric performance in airJJpn J Appl Phys, 2000, (39): 1127112930 Schlectman D, Blech D, Gratias D, et al. Metallic phase with long-range orientati