2.4温差发电技术的研究进展

当前温差发电技术的研究主要集中在三个方面，提高温差发电器件的效率、降低成本和扩大应用范围。研究表明，温差发电系统的温差越大、热源温度越高、材料优值越高，发电的效率就越高。因此，提高温差发电器性能的主要方向是开发高优值的热电材料和高效的转换器结构。

目前，低效率是限制温差发电技术产业应用的最主要原因。通过对热电转换材料的深入研究和开发提高热电转换效率是温差发电技术研究的核心内容。用于温差发电的热电材料主要是半导体材料，如用于低温(300℃以下)的Bi2Te3及其固溶体合金、中温(300—600℃)的PbTe2SnTe和高温(600—1000℃)热电材料SiGe、MnTe、SiRe2、CeS等。衡量热电材料优劣的指标为“优值”zI’。要在效率和产业化方面实现有效竞争，应该保证室温(300K)下的热电材料的ZT>3。热电转换材料领域现已取得重要的进展，包括绝缘层和导电层交叉分层、特定层的电荷与自旋态的优化设计和结构钠米化等，

现在已经把热电材料的zI""提高到接近3。在现有材料的条件下开发高效温差发电器也是研究的主攻方向。在这方面融合了许多先进设计方法和多学科的理论。热电偶的优值除与电极材料有关，也与电极的截面和长度有关，不同电阻率和导热率的电极应有不同的几何尺寸，只有符合最优尺寸才能获得最佳的器件优值。同时，设计中还要对温差发电器的负载等性能以及结构进行综合考虑，采用优化、仿真和CAD等方法进行优化设计。另外，温差发电器在设计中，需要根据热、冷源的形式，研究它的传热方式、接触热阻、散热形式，几何形状及强化方法等问题。这方面的研究已经成为温差发电器设计的基础。

3温差发电技术在节能领域的应用

随科学技术的发展以及能源危机的日益迫近，各国在利用温差进行低品位热能发电方面加大了研究力度，温差发电技术在节能领域的应用不断扩展。

3.1工业余热利用

随工业化进程的加快，各种制造业和加工业等生产过程中产生的废气和废液成倍增加，其中的余热相当可观，工业余热的合理利用是解决能源短缺问题的一个重要方面。利用温差发电技术进行工业余热的发电，可降低成本，提高能源的利用率，可带来巨大的经济效益，并能改善环境。图5给出了1984年日本东京发电公司完成的利用工业余热进行的温差发电机组。图6显示了在天然气油田利用脱水循环的余热发电，实现对管道和钻井的阴极保护。王佐民通过效率分析得到，把温差发电器和火力电厂锅炉结合起来，能够使火力发电厂总的效率提高。

3.2汽车废热利用

随着我国汽车工业的发展，车辆消耗的能源与日俱增，车辆的节能也越来越受关注。然而，以现有的内燃机指标评估，燃油中60%左右的能量没有得到有效利用，绝大部分以废热的形式排放到大气中，造成了巨大的经济损失和严重的环境污染。因此，利用发动机余热发电是一个很好的节能途径。近年来，车用发动机余热温差发电技术发展很快，转换规模在数百瓦至几千瓦之间。Et本Nissan汽车公司研究中心研制了排气温差发电器，可以回收11%的热量。美国Hi—z公司在能源部资助

下进行了柴油机载重车排气余热温差发电的研究，并进行了台架和道路实验。图7示意了安装在柴油机车的热电发电器，外形像一个立式的消声器。在排气管上用72块HZ一14模块按圆周排列布置，冷端用水冷却，形成了250—270℃温差，能提供2000—4000W的功率。另外，俄罗斯联邦科学中心物理与能源工程研究所进行了高寒区载重发动机直接发电的研究，能够产生600W的电能。

3.3新能源利用

传统的能源以化石能源为主，面临来源枯竭和污染环境的挑战。而太阳能、海洋能、地热能等新能源是大自然赋予人类的取之不尽，用之不竭的环保能源。具有诸多优点的温差发电技术能够直接将上述新能源转化为电能，大大简化了发电系统的结构，将获得可观的经济和社会效益。

图8给出了日本的海洋热能转化项目中开发的利用海洋温差进行发电的设备，它采用了500组的热电转换器件。

图9示意了一种太阳能热电发电屋顶的结构，它在屋顶设置了热电转换器件，太阳能辐射到铜板上，使热电转换器件的热端温度升高，与冷端形成温差，进行发电，在环境温度30—35qC，辐射强度为800W/m2时，能够产生1.2W/m2的电力，除了供给风机外，还可储存供夜晚使用。

图9 太阳能热电发电屋顶工作示意图

3.4其他节能场合的应用

最近，美国Cardiff University的Rowe教授演示了利用人沐浴后浴缸剩余水的废热发电的技术，它可以使一台彩色电视机连续工作lh。

日本精工仪器公司研制出一种利用人的体温发电的手表用电池，是使用BiTe材料制成的温差发电部件，1 K的温差可产生20znV的电压l24J。图10是Hi—z公司利用热电转换原理制造的微电池，输出电压为3.3V，功率可达2.5W。它适用

于小温差发电情况，像回收人体热能等。

4结束语

图10微电池实物图与传统发电方式比较，温差发电技术结构简单，无机械部件，运行寿命长，可靠性高，绿色环保，能够满足对中小发电量的需求。21世纪是一个以绿色能源为主导的时代，对温差发电技术的应用必将随社会的进步而不断扩展。温差发电技术可以灵活利用各种不同等级和形式的热能，适用于太阳能、地热能、海洋温差、余热和废热的节能利用，是颇具潜力的节能途径，具有广阔的应用前景。我国应优先发展该研究方向，以提高能源的利用水平和效率。