溫差電技術的應用

最早的溫差發電機于1942年由前蘇聯研制成功, 發電效率為1.5%~2%. 之后一些特殊領域對電源的需求大大刺激了溫差電技術的發展. 從20世紀60年代開始陸續有一批溫差發電機成功用于航天飛機、軍事和遠洋探索. 近幾年隨著科學技術的不斷進步, 溫差發電機正逐漸拓寬其應用領域, 不僅在軍事和高科技方面, 而且在民用方面也表現出良好的應用前景. 隨著能源與環境危機的日益逼近, 科學家在利用低品位與廢能源發電方面加大了研究力度, 部分研究成果已進入產業化.

2.1 遠程空間探索
自從1969年阿波羅號飛船成功登陸月球, 人類對太空的探索一直在不斷深入地進行中. 隨著探索空間的拓展, 人們將目標投向更遠的星球、甚至是太陽系以外的遠程空間. 在遠離太陽、黑暗、冰冷和空洞的世界里, 太陽的輻射量極其微小, 太陽能電池很難發揮作用. 使用熱源穩定、結構緊湊、性能可靠、壽命長的放射性同位素溫差發電系統成為理想的選擇. 利用溫差電技術, 一枚硬幣大小的放射性同位素熱源能夠提供長達二十年以上的連續不斷的電能, 這是其他任何一種能源技術所不能比擬的. 美國國家航空和宇航局(NASA)已先后在其阿波羅登月艙、先鋒者、海盜、旅行者、伽利略和尤利西斯號宇宙飛船上使用以各種放射性同位素為熱源的溫差發電裝置. 其中航行者1號飛船需要在太空中進行長達25年的科學考察, 該飛船上的所有電能均由熱電轉換模塊提供. 其發電系統包括1200個溫差發電機, 由放射性燃料Pu-238的中子衰減提供熱能. 該電力系統已安全運行了21年, 預計可繼續工作15至20年.
相比于太陽能電池, 放射性同位素溫差發電系統不僅具有壽命長和性能可靠的優點, 而且擁有誘人的比體積和比重量. 尤利西斯號飛船如按照太陽能電池進行結構設計, 其攜帶電池板的重量將達 550 kg, 是飛船自身重量的兩倍, 對運載火箭來說難以負荷. 而采用溫差發電系統時, 發電機的重量只有56 kg, 完全可以滿足飛船在航行、通訊和科學儀器使用方面的所有用電要求1). 圖2為放射性同位素溫差發電系統的外形圖, 圖3為其剖面圖.

圖3 放射性同位素溫差發電系統剖面圖
2.2 軍事
放射性同位素發電機除了在航天領域發揮重要作用外, 海軍是其第二大用戶. 早在20世紀80年代初, 美國就完成了500~1000W軍用溫差發電機的研制, 并于80年代末正式列入部隊裝備. 其最大的優點是無聲音、無振動、隱蔽, 在潛艇、遠程信號傳輸等方面具有重要應用. 將溫差發電機放在深海中為無線電信號轉發系統供電. 該系統是美國導彈定位系統網絡的一個組成部分, 其設計工作深度達10公里, 工作功率大于1W, 壽命在10年以上. 最近Hi-Z公司為軍方開發了基于量子點原理制造的高性能微型溫差發電模塊[14], 用于船載多種無線傳感器的電源供給. 這些傳感器肩負著監測斷裂、腐蝕、撞擊破壞以及溫度漂移等多項任務, 惟有溫差發電機能滿足其對電源尺寸、重量、泄漏和壽命等多方面極高的要求.
為滿足陸軍對電源系統的特殊要求——輕便、靈活、充電方便等, 從1999年開始, 美國能源部啟動了“能源收獲科學與技術項目”1). 研究利用溫差發電
模塊, 將士兵的體熱收集起來用于電池充電. 其近期
目標是實現對12小時的作戰任務最少產出250瓦小時的電能, 目前該研究項目已取得了多項研究成果.

2.3 遠距離通訊、導航和設備保護
溫差電技術性能穩定、無需維護的特點使其在發電和輸送電困難的偏遠地區發揮著重要的作用[15], 已用于極地、沙漠、森林等無人地區的微波中繼站電源、遠地自動無線電接收裝置和自動天氣預報站、無人航標燈、油管的陰極保護等. 圖4為世界最大的溫差發電機生產商——美國Global Thermoelectric Inc制造的用于管道監控、數據采集、通訊和腐蝕防護的溫差發電設備2), 輸出功率可達5000W. 前蘇聯從1960年代末開始先后制造了1000多個放射性同位素溫差電機, 廣泛用于燈塔和導航標志, 平均使用壽命長于10年. 該類型發電機以Sr90為熱源, 可穩定提供7~30V, 80W的輸出.

2.4 小功率電源
體積小、重量輕、無振動、無噪音使溫差發電機非常適合用作小功率電源 (小于5W). 在各種無人監視的傳感器、微小短程通訊裝置以及醫學和生理學研究用微小型發電機、傳感電路、邏輯門和各種糾錯電路需要的短期微瓦、毫瓦級電能方面, 溫差電技術均可發揮其獨特的作用[16,17]. 圖5 是Hi-Z公司制造的可協調荷載的微電池, 其輸出功率可達2.5W, 輸出電壓3.3V4).

寸為cm2量級的可集成通用型溫差電微電池系統研究[18]. 經過三年的項目開發, 目前一些產品已進入實用階段.

日本精工儀器公司研制出一種利用人的體溫發電的手表用微型電池[19]. 該電池使用BiTe塊狀材料, 電池尺寸為2 mm×2 mm×1.3 mm, 由50對元件串聯組成, 1K的溫差可產生20 mV的電壓, 輸出功率為1 μW.
德國D.T.S公司在輸出功率為10~40 μW的薄膜型溫差發電機的生產方面占有世界領先地位1).
2.5 溫差電傳感器
最近, 基于熱電轉換材料的Seebeck效應, 許多新型的溫差電傳感器被研制成功, 并用于低溫溫度測量[20]、單像素紅外線和X射線探測[21]、氫氣和其他可燃氣體泄漏檢測[22]等.
日本產業技術綜合研究所的科學家運用磁控濺射技術制備了薄膜型溫差電氫氣傳感器[23]. 其工作原理是在熱電薄膜材料表面上一半的面積涂覆催化劑, 當有氫氣存在時, 涂有催化劑部分的熱電轉換材料溫度升高, 繼而在器件的兩端建立電勢差. 通過電壓信號的測量既可感知氫氣泄漏, 還可用于推算氫氣濃度. 傳統的氫氣傳感器存在體積大、質量重、結構復雜、氣體選擇性差(往往對可燃氣體有廣譜響應)、響應時間長等缺點, 已越來越不能滿足使用要求.
另外, 傳統傳感器對氣體的敏感程度與溫度強烈相下(200~400℃)才能達到峰值, 這不僅要消耗額外的加熱功率, 還極易引發火災. 利用熱電轉換材料制造的薄膜傳感器可在室溫附近工作, 尺寸小、選擇性好、響應時間短. 1%的氫氣含量可輸出2 mv的電壓信號, 響應時間為50 s (圖6). 該類傳感器在氫燃料電池系統、加氫站、微型飛行器等方面具有廣泛的應用前景.
關, 通常在較高的溫度
德國D.T.S.公司在其開發的235型熱電模塊的基礎上研制成功微型紅外傳感器[24], 用于非接觸式測溫、家用與工廠設備的監測等, 具有體積小(mm3)、重量輕(mg)、無過濾窗、響應迅速、不受環境熱傳導和熱對流的影響、在高熱輻射的情況下也可穩定工作的特性. 圖7 為其F型溫差電紅外傳感器, 其大小為5.6 mm×3.1 mm×0.08 mm, 重量為19 mg2).
2.6 低品位和廢熱發電
長久以來, 因為受到生產成本和轉換效率的限制, 溫差電技術的應用一直局限于高科技和軍事、航天領域. 最近, 由于化石能源數量的日益減少和化石能源燃燒所引起的環境惡化問題的逼近, 人們意識到利用低品位和廢熱進行發電對解決環境和能源問題的重要性[25]. 另外, 可供使用的熱源的廣泛性和廉價性大大增強了溫差發電方式的商業競爭性. 我們知道, 發電成本主要由運行成本和設備成本組成. 運行成本取決于轉換效率和原料, 設備成本決定于產生額定輸出電力的裝置. 雖然熱電轉換模塊的成本很高, 但由于利用低品位和廢熱發電的原料費用極少, 幾近為零, 運行成本很低, 因此發電總費用降低, 使得溫差發電可與現存發電方式進行商業競爭. 日本近幾年開展了一系列以“固體廢物燃燒能源回收研究計劃”為題的政府計劃, 研究用于固體廢物焚燒爐的廢熱發電技術, 將透平發電機和溫差發電機結合起來, 實現不同規模垃圾焚燒熱的最大利用, 使垃圾真正成為可供利用的資源[26]. 繼日本之后, 2003年11月美國能源部宣布資助太平洋西北國家實驗室、密西根技術大學、匹茲堡PPG 工藝有限公司等單位, 重點支持他們在高性能熱電轉換材料和應用技術方面的開發, 其主要應用對象是工業生產中的尾氣熱和其他構件中的廢熱和余熱利用3).

造2500億元的效益1). 然而我國垃圾發電的市場化、專業化和產業化還剛剛起步, 為了動員更多的社會力量參與垃圾發電事業, 國務院最近制定了一系列資源綜合利用的優惠政策, 希望能藉此推動該技術的發展.
(3) 汽車廢熱
隨著人們生活水平的不斷提高, 作為現代家庭的重要交通工具汽車開始步入普通老百姓家中. 汽車不僅給人們的生活帶來了便利, 同時汽車工業也推動了社會經濟的不斷前進. 但是, 伴隨著汽車普及率的不斷提高, 人們對能源, 特別是石油和天然氣的需求越來越大, 從而進一步加速了全球能源問題的惡化. 與此同時, 汽車尾氣對環境的污染也給世界環境帶來了一定的影響. 汽車尾氣、冷卻水、潤滑油和熱輻射所造成的能量損失占汽油燃燒能量的很大比重, 例如普通家用轎車以常速行駛時的能量損失就達20~30 kW. 科學家們一直在努力將溫差電技術應用于環保型汽車, 利用汽車尾氣的廢熱以及發動機的余熱為汽車提供輔助電源. 這樣, 不僅可以大大提高汽車的綜合性能, 降低發動機能耗, 同時還可以減少尾氣中污染物的排放量, 一舉三得. 理論研究認為, 若能將溫差電技術應用于汽車中, 可望節約燃油20%, 足以提供一輛中型汽車的電氣用能[29]. 日本已開發了利用汽車尾氣發電的小型溫差發電機, 功率為100W, 可節省燃油5%[30]. 美國也于最近宣布試制成功1000W功率的基于大貨車尾氣發電的電機[31,32]. 圖10 顯示美國安裝在Mack柴油機上的溫差發電機, 從外形上看恰似一個立式的消聲器.
(4) 自然熱
太陽輻射熱、海洋溫差熱、地熱等自然熱都是大自然賦予人類取之不盡、用之不竭的最理想的動力能源. 傳統的自然熱發電方式都用熱機、發電機或蒸
汽輪機作原動機, 這樣的系統只有在大容量發電的場合才能獲得良好的技術經濟指標. 現在國際上將目標轉向無運動部件、無聲而且不需維護的直接發電器件(如溫差電轉換模塊), 用它們來替代上述能量轉換部件, 大大簡化現有自然熱發電系統的能量轉換部件結構, 獲得可觀的經濟效益. 美國密西西比州立大學的Stevens教授進行了利用地表與地下的溫差進行發電的研究[33]2) (如圖11所示). 該方式具有性能穩定、壽命長、無聲音輻射、不可視、夜間和惡劣環境下亦可連續工作等特性, 能廣泛用于長時間無人干預的小型遠距離傳感和通訊器件, 其初期設計功率是100 mW.
(5) 其他分散的熱源
最近, 美國卡爾帝夫大學(Cardiff University)的Rowe教授演示了利用人沐浴后浴缸中剩余水的余熱產生電, 可使一臺彩色電視機連續工作1 h. 如果該系統能運行三年, 其生產電能的成本與常規能源電力公司的發電成本相當.

溫差電技術的研究進展