溫差電技術(shù)的應用

最早的溫差發(fā)電機于1942年由前蘇聯(lián)研制成功, 發(fā)電效率為1.5%~2%. 之后一些特殊領(lǐng)域對電源的需求大大刺激了溫差電技術(shù)的發(fā)展. 從20世紀60年代開(kāi)始陸續有一批溫差發(fā)電機成功用于航天飛機、軍事和遠洋探索. 近幾年隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步, 溫差發(fā)電機正逐漸拓寬其應用領(lǐng)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(zhù)能源與環(huán)境危機的日益逼近, 科學(xué)家在利用低品位與廢能源發(fā)電方面加大了研究力度, 部分研究成果已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)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(lèi)對太空的探索一直在不斷深入地進(jìn)行中. 隨著(zhù)探索空間的拓展, 人們將目標投向更遠的星球、甚至是太陽(yáng)系以外的遠程空間. 在遠離太陽(yáng)、黑暗、冰冷和空洞的世界里, 太陽(yáng)的輻射量極其微小, 太陽(yáng)能電池很難發(fā)揮作用. 使用熱源穩定、結構緊湊、性能可靠、壽命長(cháng)的放射性同位素溫差發(fā)電系統成為理想的選擇. 利用溫差電技術(shù), 一枚硬幣大小的放射性同位素熱源能夠提供長(cháng)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(shù)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(fā)電裝置. 其中航行者1號飛船需要在太空中進(jìn)行長(cháng)達25年的科學(xué)考察, 該飛船上的所有電能均由熱電轉換模塊提供. 其發(fā)電系統包括1200個(gè)溫差發(fā)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(yáng)能電池, 放射性同位素溫差發(fā)電系統不僅具有壽命長(cháng)和性能可靠的優(yōu)點(diǎn), 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(yáng)能電池進(jìn)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(lái)說(shuō)難以負荷. 而采用溫差發(fā)電系統時(shí), 發(fā)電機的重量只有56 kg, 完全可以滿(mǎn)足飛船在航行、通訊和科學(xué)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(fā)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(fā)電系統剖面圖
2.2 軍事
放射性同位素發(fā)電機除了在航天領(lǐng)域發(fā)揮重要作用外, 海軍是其第二大用戶(hù). 早在20世紀80年代初, 美國就完成了500~1000W軍用溫差發(fā)電機的研制, 并于80年代末正式列入部隊裝備. 其最大的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)聲音、無(wú)振動(dòng)、隱蔽, 在潛艇、遠程信號傳輸等方面具有重要應用. 將溫差發(fā)電機放在深海中為無(wú)線(xiàn)電信號轉發(fā)系統供電. 該系統是美國導彈定位系統網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)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(kāi)發(fā)了基于量子點(diǎn)原理制造的高性能微型溫差發(fā)電模塊[14], 用于船載多種無(wú)線(xiàn)傳感器的電源供給. 這些傳感器肩負著(zhù)監測斷裂、腐蝕、撞擊破壞以及溫度漂移等多項任務(wù), 惟有溫差發(fā)電機能滿(mǎn)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(mǎn)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(kāi)始, 美國能源部啟動(dòng)了“能源收獲科學(xué)與技術(shù)項目”1). 研究利用溫差發(fā)電
模塊, 將士兵的體熱收集起來(lái)用于電池充電. 其近期
目標是實(shí)現對12小時(shí)的作戰任務(wù)最少產(chǎn)出250瓦小時(shí)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(shù)性能穩定、無(wú)需維護的特點(diǎn)使其在發(fā)電和輸送電困難的偏遠地區發(fā)揮著(zhù)重要的作用[15], 已用于極地、沙漠、森林等無(wú)人地區的微波中繼站電源、遠地自動(dòng)無(wú)線(xiàn)電接收裝置和自動(dòng)天氣預報站、無(wú)人航標燈、油管的陰極保護等. 圖4為世界最大的溫差發(fā)電機生產(chǎn)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(fā)電設備2), 輸出功率可達5000W. 前蘇聯(lián)從1960年代末開(kāi)始先后制造了1000多個(gè)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(cháng)于10年. 該類(lèi)型發(fā)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(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音使溫差發(fā)電機非常適合用作小功率電源 (小于5W). 在各種無(wú)人監視的傳感器、微小短程通訊裝置以及醫學(xué)和生理學(xué)研究用微小型發(fā)電機、傳感電路、邏輯門(mén)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(shù)均可發(fā)揮其獨特的作用[16,17]. 圖5 是Hi-Z公司制造的可協(xié)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(jīng)過(guò)三年的項目開(kāi)發(fā), 目前一些產(chǎn)品已進(jìn)入實(shí)用階段.

日本精工儀器公司研制出一種利用人的體溫發(fā)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(lián)組成, 1K的溫差可產(chǎn)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(fā)電機的生產(chǎn)方面占有世界領(lǐng)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(xiàn)和X射線(xiàn)探測[21]、氫氣和其他可燃氣體泄漏檢測[22]等.
日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的科學(xué)家運用磁控濺射技術(shù)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(shí), 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(guò)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(zhì)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(shí)間長(cháng)等缺點(diǎn), 已越來(lái)越不能滿(mǎn)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(fā)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(shí)間短. 1%的氫氣含量可輸出2 mv的電壓信號, 響應時(shí)間為50 s (圖6). 該類(lèi)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(guān), 通常在較高的溫度
德國D.T.S.公司在其開(kāi)發(fā)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(chǎng)設備的監測等, 具有體積小(mm3)、重量輕(mg)、無(wú)過(guò)濾窗、響應迅速、不受環(huán)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(fā)電
長(cháng)久以來(lái), 因為受到生產(chǎn)成本和轉換效率的限制, 溫差電技術(shù)的應用一直局限于高科技和軍事、航天領(lǐng)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(huán)境惡化問(wèn)題的逼近, 人們意識到利用低品位和廢熱進(jìn)行發(fā)電對解決環(huán)境和能源問(wèn)題的重要性[25]. 另外, 可供使用的熱源的廣泛性和廉價(jià)性大大增強了溫差發(fā)電方式的商業(yè)競爭性. 我們知道, 發(fā)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(chǎn)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(fā)電的原料費用極少, 幾近為零, 運行成本很低, 因此發(fā)電總費用降低, 使得溫差發(fā)電可與現存發(fā)電方式進(jìn)行商業(yè)競爭. 日本近幾年開(kāi)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(fā)電技術(shù), 將透平發(fā)電機和溫差發(fā)電機結合起來(lái), 實(shí)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(shí)驗室、密西根技術(shù)大學(xué)、匹茲堡PPG 工藝有限公司等單位, 重點(diǎn)支持他們在高性能熱電轉換材料和應用技術(shù)方面的開(kāi)發(fā), 其主要應用對象是工業(yè)生產(chǎn)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(fā)電的市場(chǎng)化、專(zhuān)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化還剛剛起步, 為了動(dòng)員更多的社會(huì )力量參與垃圾發(fā)電事業(yè), 國務(wù)院最近制定了一系列資源綜合利用的優(yōu)惠政策, 希望能藉此推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展.
(3) 汽車(chē)廢熱
隨著(zhù)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(chē)開(kāi)始步入普通老百姓家中. 汽車(chē)不僅給人們的生活帶來(lái)了便利, 同時(shí)汽車(chē)工業(yè)也推動(dòng)了社會(huì )經(jīng)濟的不斷前進(jìn). 但是, 伴隨著(zhù)汽車(chē)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(lái)越大, 從而進(jìn)一步加速了全球能源問(wèn)題的惡化. 與此同時(shí), 汽車(chē)尾氣對環(huán)境的污染也給世界環(huán)境帶來(lái)了一定的影響. 汽車(chē)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(chē)以常速行駛時(shí)的能量損失就達20~30 kW. 科學(xué)家們一直在努力將溫差電技術(shù)應用于環(huán)保型汽車(chē), 利用汽車(chē)尾氣的廢熱以及發(fā)動(dòng)機的余熱為汽車(chē)提供輔助電源. 這樣, 不僅可以大大提高汽車(chē)的綜合性能, 降低發(fā)動(dòng)機能耗, 同時(shí)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(shù)應用于汽車(chē)中, 可望節約燃油20%, 足以提供一輛中型汽車(chē)的電氣用能[29]. 日本已開(kāi)發(fā)了利用汽車(chē)尾氣發(fā)電的小型溫差發(fā)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(chē)尾氣發(fā)電的電機[31,32]. 圖10 顯示美國安裝在Mack柴油機上的溫差發(fā)電機, 從外形上看恰似一個(gè)立式的消聲器.
(4) 自然熱
太陽(yáng)輻射熱、海洋溫差熱、地熱等自然熱都是大自然賦予人類(lèi)取之不盡、用之不竭的最理想的動(dòng)力能源. 傳統的自然熱發(fā)電方式都用熱機、發(fā)電機或蒸
汽輪機作原動(dòng)機, 這樣的系統只有在大容量發(fā)電的場(chǎng)合才能獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟指標. 現在國際上將目標轉向無(wú)運動(dòng)部件、無(wú)聲而且不需維護的直接發(fā)電器件(如溫差電轉換模塊), 用它們來(lái)替代上述能量轉換部件, 大大簡(jiǎn)化現有自然熱發(fā)電系統的能量轉換部件結構, 獲得可觀(guān)的經(jīng)濟效益. 美國密西西比州立大學(xué)的Stevens教授進(jìn)行了利用地表與地下的溫差進(jìn)行發(fā)電的研究[33]2) (如圖11所示). 該方式具有性能穩定、壽命長(cháng)、無(wú)聲音輻射、不可視、夜間和惡劣環(huán)境下亦可連續工作等特性, 能廣泛用于長(cháng)時(shí)間無(wú)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(xué)(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(chǎn)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(chǎn)電能的成本與常規能源電力公司的發(fā)電成本相當.