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温差电技术的应用

最早的温差发电机于1942年由前苏联研制成功, 发电效率为1.5%~2%. 之后一些特殊领域对电源的需求大大刺激了温差电技术的发展. 从20世纪60年代开始陆续有一批温差发电机成功用于航天飞机、军事和远洋探索. 近几年随着科学技术的不断进步, 温差发电机正逐渐拓宽其应用领域, 不仅在军事和高科技方面, 而且在民用方面也表现出良好的应用前景. 随着能源与环境危机的日益逼近, 科学家在利用低品位与废能源发电方面加大了研究力度, 部分研究成果已进入产业化.

2.1 远程空间探索
自从1969年阿波罗号飞船成功登陆月球, 人类对太空的探索一直在不断深入地进行中. 随着探索空间的拓展, 人们将目标投向更远的星球、甚至是太阳系以外的远程空间. 在远离太阳、黑暗、冰冷和空洞的世界里, 太阳的辐射量极其微小, 太阳能电池很难发挥作用. 使用热源稳定、结构紧凑、性能可靠、寿命长的放射性同位素温差发电系统成为理想的选择. 利用温差电技术, 一枚硬币大小的放射性同位素热源能够提供长达二十年以上的连续不断的电能, 这是其他任何一种能源技术所不能比拟的. 美国国家航空和宇航局(NASA)已先后在其阿波罗登月舱、先锋者、海盗、旅行者、伽利略和尤利西斯号宇宙飞船上使用以各种放射性同位素为热源的温差发电装置. 其中航行者1号飞船需要在太空中进行长达25年的科学考察, 该飞船上的所有电能均由热电转换模块提供. 其发电系统包括1200个温差发电机, 由放射性燃料Pu-238的中子衰减提供热能. 该电力系统已安全运行了21年, 预计可继续工作15至20年.
相比于太阳能电池, 放射性同位素温差发电系统不仅具有寿命长和性能可靠的优点, 而且拥有诱人的比体积和比重量. 尤利西斯号飞船如按照太阳能电池进行结构设计, 其携带电池板的重量将达 550 kg, 是飞船自身重量的两倍, 对运载火箭来说难以负荷. 而采用温差发电系统时, 发电机的重量只有56 kg, 完全可以满足飞船在航行、通讯和科学仪器使用方面的所有用电要求1). 图2为放射性同位素温差发电系统的外形图, 图3为其剖面图.

图3 放射性同位素温差发电系统剖面图
2.2 军事
放射性同位素发电机除了在航天领域发挥重要作用外, 海军是其第二大用户. 早在20世纪80年代初, 美国就完成了500~1000W军用温差发电机的研制, 并于80年代末正式列入部队装备. 其最大的优点是无声音、无振动、隐蔽, 在潜艇、远程信号传输等方面具有重要应用. 将温差发电机放在深海中为无线电信号转发系统供电. 该系统是美国导弹定位系统网络的一个组成部分, 其设计工作深度达10公里, 工作功率大于1W, 寿命在10年以上. 最近Hi-Z公司为军方开发了基于量子点原理制造的高性能微型温差发电模块[14], 用于船载多种无线传感器的电源供给. 这些传感器肩负着监测断裂、腐蚀、撞击破坏以及温度漂移等多项任务, 惟有温差发电机能满足其对电源尺寸、重量、泄漏和寿命等多方面极高的要求.
为满足陆军对电源系统的特殊要求——轻便、灵活、充电方便等, 从1999年开始, 美国能源部启动了“能源收获科学与技术项目”1). 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. 其近期
目标是实现对12小时的作战任务最少产出250瓦小时的电能, 目前该研究项目已取得了多项研究成果.

2.3 远距离通讯、导航和设备保护
温差电技术性能稳定、无需维护的特点使其在发电和输送电困难的偏远地区发挥着重要的作用[15], 已用于极地、沙漠、森林等无人地区的微波中继站电源、远地自动无线电接收装置和自动天气预报站、无人航标灯、油管的阴极保护等. 图4为世界最大的温差发电机生产商——美国Global Thermoelectric Inc制造的用于管道监控、数据采集、通讯和腐蚀防护的温差发电设备2), 输出功率可达5000W. 前苏联从1960年代末开始先后制造了1000多个放射性同位素温差电机, 广泛用于灯塔和导航标志, 平均使用寿命长于10年. 该类型发电机以Sr90为热源, 可稳定提供7~30V, 80W的输出.

2.4 小功率电源
体积小、重量轻、无振动、无噪音使温差发电机非常适合用作小功率电源 (小于5W). 在各种无人监视的传感器、微小短程通讯装置以及医学和生理学研究用微小型发电机、传感电路、逻辑门和各种纠错电路需要的短期微瓦、毫瓦级电能方面, 温差电技术均可发挥其独特的作用[16,17]. 图5 是Hi-Z公司制造的可协调荷载的微电池, 其输出功率可达2.5W, 输出电压3.3V4).

寸为cm2量级的可集成通用型温差电微电池系统研究[18]. 经过三年的项目开发, 目前一些产品已进入实用阶段.

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微型电池[19]. 该电池使用BiTe块状材料, 电池尺寸为2 mm×2 mm×1.3 mm, 由50对元件串联组成, 1K的温差可产生20 mV的电压, 输出功率为1 μW.
德国D.T.S公司在输出功率为10~40 μW的薄膜型温差发电机的生产方面占有世界领先地位1).
2.5 温差电传感器
最近, 基于热电转换材料的Seebeck效应, 许多新型的温差电传感器被研制成功, 并用于低温温度测量[20]、单像素红外线和X射线探测[21]、氢气和其他可燃气体泄漏检测[22]等.
日本产业技术综合研究所的科学家运用磁控溅射技术制备了薄膜型温差电氢气传感器[23]. 其工作原理是在热电薄膜材料表面上一半的面积涂覆催化剂, 当有氢气存在时, 涂有催化剂部分的热电转换材料温度升高, 继而在器件的两端建立电势差. 通过电压信号的测量既可感知氢气泄漏, 还可用于推算氢气浓度. 传统的氢气传感器存在体积大、质量重、结构复杂、气体选择性差(往往对可燃气体有广谱响应)、响应时间长等缺点, 已越来越不能满足使用要求.
另外, 传统传感器对气体的敏感程度与温度强烈相下(200~400℃)才能达到峰值, 这不仅要消耗额外的加热功率, 还极易引发火灾. 利用热电转换材料制造的薄膜传感器可在室温附近工作, 尺寸小、选择性好、响应时间短. 1%的氢气含量可输出2 mv的电压信号, 响应时间为50 s (图6). 该类传感器在氢燃料电池系统、加氢站、微型飞行器等方面具有广泛的应用前景.
关, 通常在较高的温度
德国D.T.S.公司在其开发的235型热电模块的基础上研制成功微型红外传感器[24], 用于非接触式测温、家用与工厂设备的监测等, 具有体积小(mm3)、重量轻(mg)、无过滤窗、响应迅速、不受环境热传导和热对流的影响、在高热辐射的情况下也可稳定工作的特性. 图7 为其F型温差电红外传感器, 其大小为5.6 mm×3.1 mm×0.08 mm, 重量为19 mg2).
2.6 低品位和废热发电
长久以来, 因为受到生产成本和转换效率的限制, 温差电技术的应用一直局限于高科技和军事、航天领域. 最近, 由于化石能源数量的日益减少和化石能源燃烧所引起的环境恶化问题的逼近, 人们意识到利用低品位和废热进行发电对解决环境和能源问题的重要性[25]. 另外, 可供使用的热源的广泛性和廉价性大大增强了温差发电方式的商业竞争性. 我们知道, 发电成本主要由运行成本和设备成本组成. 运行成本取决于转换效率和原料, 设备成本决定于产生额定输出电力的装置. 虽然热电转换模块的成本很高, 但由于利用低品位和废热发电的原料费用极少, 几近为零, 运行成本很低, 因此发电总费用降低, 使得温差发电可与现存发电方式进行商业竞争. 日本近几年开展了一系列以“固体废物燃烧能源回收研究计划”为题的政府计划, 研究用于固体废物焚烧炉的废热发电技术, 将透平发电机和温差发电机结合起来, 实现不同规模垃圾焚烧热的最大利用, 使垃圾真正成为可供利用的资源[26]. 继日本之后, 2003年11月美国能源部宣布资助太平洋西北国家实验室、密西根技术大学、匹兹堡PPG 工艺有限公司等单位, 重点支持他们在高性能热电转换材料和应用技术方面的开发, 其主要应用对象是工业生产中的尾气热和其他构件中的废热和余热利用3).

造2500亿元的效益1). 然而我国垃圾发电的市场化、专业化和产业化还刚刚起步, 为了动员更多的社会力量参与垃圾发电事业, 国务院最近制定了一系列资源综合利用的优惠政策, 希望能藉此推动该技术的发展.
(3) 汽车废热
随着人们生活水平的不断提高, 作为现代家庭的重要交通工具汽车开始步入普通老百姓家中. 汽车不仅给人们的生活带来了便利, 同时汽车工业也推动了社会经济的不断前进. 但是, 伴随着汽车普及率的不断提高, 人们对能源, 特别是石油和天然气的需求越来越大, 从而进一步加速了全球能源问题的恶化. 与此同时, 汽车尾气对环境的污染也给世界环境带来了一定的影响. 汽车尾气、冷却水、润滑油和热辐射所造成的能量损失占汽油燃烧能量的很大比重, 例如普通家用轿车以常速行驶时的能量损失就达20~30 kW. 科学家们一直在努力将温差电技术应用于环保型汽车, 利用汽车尾气的废热以及发动机的余热为汽车提供辅助电源. 这样, 不仅可以大大提高汽车的综合性能, 降低发动机能耗, 同时还可以减少尾气中污染物的排放量, 一举三得. 理论研究认为, 若能将温差电技术应用于汽车中, 可望节约燃油20%, 足以提供一辆中型汽车的电气用能[29]. 日本已开发了利用汽车尾气发电的小型温差发电机, 功率为100W, 可节省燃油5%[30]. 美国也于最近宣布试制成功1000W功率的基于大货车尾气发电的电机[31,32]. 图10 显示美国安装在Mack柴油机上的温差发电机, 从外形上看恰似一个立式的消声器.
(4) 自然热
太阳辐射热、海洋温差热、地热等自然热都是大自然赋予人类取之不尽、用之不竭的最理想的动力能源. 传统的自然热发电方式都用热机、发电机或蒸
汽轮机作原动机, 这样的系统只有在大容量发电的场合才能获得良好的技术经济指标. 现在国际上将目标转向无运动部件、无声而且不需维护的直接发电器件(如温差电转换模块), 用它们来替代上述能量转换部件, 大大简化现有自然热发电系统的能量转换部件结构, 获得可观的经济效益. 美国密西西比州立大学的Stevens教授进行了利用地表与地下的温差进行发电的研究[33]2) (如图11所示). 该方式具有性能稳定、寿命长、无声音辐射、不可视、夜间和恶劣环境下亦可连续工作等特性, 能广泛用于长时间无人干预的小型远距离传感和通讯器件, 其初期设计功率是100 mW.
(5) 其他分散的热源
最近, 美国卡尔帝夫大学(Cardiff University)的Rowe教授演示了利用人沐浴后浴缸中剩余水的余热产生电, 可使一台彩色电视机连续工作1 h. 如果该系统能运行三年, 其生产电能的成本与常规能源电力公司的发电成本相当.

温差电技术的研究进展