低温差发电的原理与应用

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1、低温差发电的原理与应用1温差发电的基本原理温差电效应是德国科学家塞贝克于1821年首先发现的，人们称之为塞贝克(Seebeck)效应，即两种不同的金属构成闭合回路，当两个接头存在温差时，回路中将产生电流，这一效应为温差发电技术奠定了基础。如图1所示，A、B两种不同导体构成的回路，如果两个结点所处的温度不同(T1和T2不等)，回路中就会有电动势存在，这便是温差发电技术的理论基础。当结点间的温度差在一定范围内，存在如下关系：式中：--回路产生的电势；--所用两种导体材料的相对塞贝克系数。用于低温(3000C以下)的Bi2Te3及其固溶体合金，应该保证室温

2、(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ZT提高到接近3。自1821年Seebeck发现塞贝克效应以来，国外对温差发电进行了大量的研究，1947年，第一台温差发电器问世，效率仅为1.5％。1953年，Loffe院士研究小组成功研制出利用煤油灯、拖拉机热量作热源的温差发电装置，在用电困难地区作小功率电源之用。到2O世纪60年代末，前苏联先后制造了1000多个放射性同位素温差发电器(RTG)，广泛用于卫星电源、灯塔和导航标识，其平

3、均使用寿命超过10年，可稳定提供7～30V，80W的功率。美国也不甘落后，其开发的RTG输出功率为2.7～3o0W，最长工作时间已超3O年。1961年6月美国SNAP一3A能源系统投入使用，输出功率为2.7W，发电效率5.1％。1977年发射的木星、土星探测器上使用的RTG，输出功率已达到155W。20世纪80年代初，美同又完成500～1000W军用温差发电机的研制，并于8O年代末正式进入部队装备。近年来，对低品位热源的利用成为温差发电技术研究的大方向。Maneewan等利用置于屋顶的钢板吸收太阳能集热升温与环境之间的温差发电，带动轴流风机引导屋顶空

4、气自然对流，从而给屋顶降温。Rida等将温差发电器热端与该国一种做饭的火炉外壁连接，冷端置于空气中，利用炉壁高温与环境的温差来发电，输出功率达4.2W。Hasebe等利用夏日路面高温做热源，热交换管为集热器，采用19组温差电组件，在热管管内液体流速为0.7L/min时，输出功率3.6W。Ikoma等在汽车发动机上安装72组SiGe材料温差发电模块，最大温差1230C，最大输出功率86.4W。Thacher等在美国能源部和纽约州能源研究开发权利机构资助下开发的汽车尾气余热发电系统，使用20组HZ-20温差电组件，热电材料为Bi-Te基材料，汽车时速11

5、2km/h时，最大温差1740C，最大输出功率255W。2006年，BSST的科学家和BMW联合宣布，商用的汽车温差发电器将于2013年投入使用。Douglas等针对热源动态变化情况，设计出多模块交互回路温差发电器，在相同热源下，输出功率最大提高25％。国内在温差发电方面的研究起步相对较晚，主要集中在理论和热电材料的制备等方面的研究。陈金灿课题组从2O世纪8O年代开始对温差发电器的基础理论进行研究，对温差发电器的性能进行优化分析，得到很多有意义的成果。屈健等研究了不可逆情况下发电器的输出功率和效率随外部条件的性能变化规律。李玉东等提出从火用的角度对低

6、温差下发电器的工作性能进行分析。贾磊等提出低温及大温差工况下汤姆逊热对输出功率的影响不可忽略的观点。贾阳等建立温差发电器热电耦合分析模型，以数值计算的方法分析了热电材料物性参数及其变化对发电器工作特性的影响，得出结论，材料的导热系数、电阻率及塞贝克系数对发电器转换效率的影响均为非线性，其中导热系数的影响最明显。任德鹏等分析了温差发电器的热环境、回路中负载电阻等参数及温差电单体对的连接方式对发电器工作性能的影响，得出提高温差发电器热端加热热流或增加冷端的换热系数均能提高发电器的输出功率及热电转换效率的结论。苏景芳研究了系统与环境，系统与系统之间的热流关

7、系，对系统的性能特性作出优化，建立温差发电器优化设计模型，同时以VB6.0(MicrosoftVisualBasic6.0)语言作为开发工具，ActiveX数据对象访问数据库，编写了温差发电器设计软件。钱卫强通过对低品位热源半导体小温差发电器性能的研究，总结了电动势、内阻及输出功率等参数随外电路、温度、发电组件几何尺寸等因素的变化规律，另外研究了串、并联情况下温差电组件的性能。李伟江从非平衡热力学角度出发，建立单层多电偶发电器在低温差下稳定T作的模型。研究温差发电器在内部结构和外部换热条件变化情况下的运行规律，与实验相结合，得出最佳匹配系数下，输出功

8、率和发电效率均随最大温差近似呈线性变化，同时指出解决发电效率低的问题根本上依靠的是材料性能的改善。刚现东理论