溫差電技術(shù)的應(yīng)用

最早的溫差發(fā)電機(jī)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?qū)﹄娫吹男枨蟠蟠蟠碳ち藴夭铍娂夹g(shù)的發(fā)展. 從20世紀(jì)60年代開(kāi)始陸續(xù)有一批溫差發(fā)電機(jī)成功用于航天飛機(jī)、軍事和遠(yuǎn)洋探索. 近幾年隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步, 溫差發(fā)電機(jī)正逐漸拓寬其應(yīng)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(xiàn)出良好的應(yīng)用前景. 隨著能源與環(huán)境危機(jī)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(yuǎn)程空間探索
自從1969年阿波羅號(hào)飛船成功登陸月球, 人類(lèi)對(duì)太空的探索一直在不斷深入地進(jìn)行中. 隨著探索空間的拓展, 人們將目標(biāo)投向更遠(yuǎn)的星球、甚至是太陽(yáng)系以外的遠(yuǎn)程空間. 在遠(yuǎn)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(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、壽命長(zhǎng)的放射性同位素溫差發(fā)電系統(tǒng)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?zé)嵩茨軌蛱峁╅L(zhǎng)達(dá)二十年以上的連續(xù)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(guó)國(guó)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(hào)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(hào)飛船需要在太空中進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)25年的科學(xué)考察, 該飛船上的所有電能均由熱電轉(zhuǎn)換模塊提供. 其發(fā)電系統(tǒng)包括1200個(gè)溫差發(fā)電機(jī), 由放射性燃料Pu-238的中子衰減提供熱能. 該電力系統(tǒng)已安全運(yùn)行了21年, 預(yù)計(jì)可繼續(xù)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(tǒng)不僅具有壽命長(zhǎng)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(hào)飛船如按照太陽(yáng)能電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 其攜帶電池板的重量將達(dá) 550 kg, 是飛船自身重量的兩倍, 對(duì)運(yùn)載火箭來(lái)說(shuō)難以負(fù)荷. 而采用溫差發(fā)電系統(tǒng)時(shí), 發(fā)電機(jī)的重量只有56 kg, 完全可以滿足飛船在航行、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(tǒng)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(tǒng)剖面圖
2.2 軍事
放射性同位素發(fā)電機(jī)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. 早在20世紀(jì)80年代初, 美國(guó)就完成了500~1000W軍用溫差發(fā)電機(jī)的研制, 并于80年代末正式列入部隊(duì)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(yuǎn)程信號(hào)傳輸?shù)确矫婢哂兄匾獞?yīng)用. 將溫差發(fā)電機(jī)放在深海中為無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)供電. 該系統(tǒng)是美國(guó)導(dǎo)彈定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分, 其設(shè)計(jì)工作深度達(dá)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)線傳感器的電源供給. 這些傳感器肩負(fù)著監(jiān)測(cè)斷裂、腐蝕、撞擊破壞以及溫度漂移等多項(xiàng)任務(wù), 惟有溫差發(fā)電機(jī)能滿足其對(duì)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(duì)電源系統(tǒng)的特殊要求——輕便、靈活、充電方便等, 從1999年開(kāi)始, 美國(guó)能源部啟動(dòng)了“能源收獲科學(xué)與技術(shù)項(xiàng)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(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)12小時(shí)的作戰(zhàn)任務(wù)最少產(chǎn)出250瓦小時(shí)的電能, 目前該研究項(xiàng)目已取得了多項(xiàng)研究成果.

2.3 遠(yuǎn)距離通訊、導(dǎo)航和設(shè)備保護(hù)
溫差電技術(shù)性能穩(wěn)定、無(wú)需維護(hù)的特點(diǎn)使其在發(fā)電和輸送電困難的偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)揮著重要的作用[15], 已用于極地、沙漠、森林等無(wú)人地區(qū)的微波中繼站電源、遠(yuǎn)地自動(dòng)無(wú)線電接收裝置和自動(dòng)天氣預(yù)報(bào)站、無(wú)人航標(biāo)燈、油管的陰極保護(hù)等. 圖4為世界最大的溫差發(fā)電機(jī)生產(chǎn)商——美國(guó)Global Thermoelectric Inc制造的用于管道監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、通訊和腐蝕防護(hù)的溫差發(fā)電設(shè)備2), 輸出功率可達(dá)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(jī), 廣泛用于燈塔和導(dǎo)航標(biāo)志, 平均使用壽命長(zhǎng)于10年. 該類(lèi)型發(fā)電機(jī)以Sr90為熱源, 可穩(wěn)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(jī)非常適合用作小功率電源 (小于5W). 在各種無(wú)人監(jiān)視的傳感器、微小短程通訊裝置以及醫(yī)學(xué)和生理學(xué)研究用微小型發(fā)電機(jī)、傳感電路、邏輯門(mén)和各種糾錯(cuò)電路需要的短期微瓦、毫瓦級(jí)電能方面, 溫差電技術(shù)均可發(fā)揮其獨(dú)特的作用[16,17]. 圖5 是Hi-Z公司制造的可協(xié)調(diào)荷載的微電池, 其輸出功率可達(dá)2.5W, 輸出電壓3.3V4).

寸為cm2量級(jí)的可集成通用型溫差電微電池系統(tǒng)研究[18]. 經(jīng)過(guò)三年的項(xiàng)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(duì)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(guó)D.T.S公司在輸出功率為10~40 μW的薄膜型溫差發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)換材料的Seebeck效應(yīng), 許多新型的溫差電傳感器被研制成功, 并用于低溫溫度測(cè)量[20]、單像素紅外線和X射線探測(cè)[21]、氫氣和其他可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)[22]等.
日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的科學(xué)家運(yùn)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(dāng)有氫氣存在時(shí), 涂有催化劑部分的熱電轉(zhuǎn)換材料溫度升高, 繼而在器件的兩端建立電勢(shì)差. 通過(guò)電壓信號(hào)的測(cè)量既可感知?dú)錃庑孤? 還可用于推算氫氣濃度. 傳統(tǒng)的氫氣傳感器存在體積大、質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氣體選擇性差(往往對(duì)可燃?xì)怏w有廣譜響應(yīng))、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn), 已越來(lái)越不能滿足使用要求.
另外, 傳統(tǒng)傳感器對(duì)氣體的敏感程度與溫度強(qiáng)烈相下(200~400℃)才能達(dá)到峰值, 這不僅要消耗額外的加熱功率, 還極易引發(fā)火災(zāi). 利用熱電轉(zhuǎn)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(yīng)時(shí)間短. 1%的氫氣含量可輸出2 mv的電壓信號(hào), 響應(yīng)時(shí)間為50 s (圖6). 該類(lèi)傳感器在氫燃料電池系統(tǒng)、加氫站、微型飛行器等方面具有廣泛的應(yīng)用前景.
關(guān), 通常在較高的溫度
德國(guó)D.T.S.公司在其開(kāi)發(fā)的235型熱電模塊的基礎(chǔ)上研制成功微型紅外傳感器[24], 用于非接觸式測(cè)溫、家用與工廠設(shè)備的監(jiān)測(cè)等, 具有體積小(mm3)、重量輕(mg)、無(wú)過(guò)濾窗、響應(yīng)迅速、不受環(huán)境熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的影響、在高熱輻射的情況下也可穩(wěn)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(zhǎng)久以來(lái), 因?yàn)槭艿缴a(chǎn)成本和轉(zhuǎn)換效率的限制, 溫差電技術(shù)的應(yīng)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(shù)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(shí)到利用低品位和廢熱進(jìn)行發(fā)電對(duì)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(qiáng)了溫差發(fā)電方式的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)性. 我們知道, 發(fā)電成本主要由運(yùn)行成本和設(shè)備成本組成. 運(yùn)行成本取決于轉(zhuǎn)換效率和原料, 設(shè)備成本決定于產(chǎn)生額定輸出電力的裝置. 雖然熱電轉(zhuǎn)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(fèi)用極少, 幾近為零, 運(yùn)行成本很低, 因此發(fā)電總費(fèi)用降低, 使得溫差發(fā)電可與現(xiàn)存發(fā)電方式進(jìn)行商業(yè)競(jìng)爭(zhēng). 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(jì)劃”為題的政府計(jì)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(jī)和溫差發(fā)電機(jī)結(jié)合起來(lái), 實(shí)現(xiàn)不同規(guī)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(guó)能源部宣布資助太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)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?cè)诟咝阅軣犭娹D(zhuǎn)換材料和應(yīng)用技術(shù)方面的開(kāi)發(fā), 其主要應(yīng)用對(duì)象是工業(yè)生產(chǎn)中的尾氣熱和其他構(gòu)件中的廢熱和余熱利用3).

造2500億元的效益1). 然而我國(guó)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(guó)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
隨著人們生活水平的不斷提高, 作為現(xiàn)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(jì)的不斷前進(jìn). 但是, 伴隨著汽車(chē)普及率的不斷提高, 人們對(duì)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(duì)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(rùn)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(dá)20~30 kW. 科學(xué)家們一直在努力將溫差電技術(shù)應(yīng)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(jī)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(jī)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(rèn)為, 若能將溫差電技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)中, 可望節(jié)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(jī), 功率為100W, 可節(jié)省燃油5%[30]. 美國(guó)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(jī)[31,32]. 圖10 顯示美國(guó)安裝在Mack柴油機(jī)上的溫差發(fā)電機(jī), 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?zé)岬茸匀粺岫际谴笞匀毁x予人類(lèi)取之不盡、用之不竭的最理想的動(dòng)力能源. 傳統(tǒng)的自然熱發(fā)電方式都用熱機(jī)、發(fā)電機(jī)或蒸
汽輪機(jī)作原動(dòng)機(jī), 這樣的系統(tǒng)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(jì)指標(biāo). 現(xiàn)在國(guó)際上將目標(biāo)轉(zhuǎn)向無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)聲而且不需維護(hù)的直接發(fā)電器件(如溫差電轉(zhuǎn)換模塊), 用它們來(lái)替代上述能量轉(zhuǎn)換部件, 大大簡(jiǎn)化現(xiàn)有自然熱發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換部件結(jié)構(gòu), 獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益. 美國(guó)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(wěn)定、壽命長(zhǎng)、無(wú)聲音輻射、不可視、夜間和惡劣環(huán)境下亦可連續(xù)工作等特性, 能廣泛用于長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人干預(yù)的小型遠(yuǎn)距離傳感和通訊器件, 其初期設(shè)計(jì)功率是100 mW.
(5) 其他分散的熱源
最近, 美國(guó)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(tái)彩色電視機(jī)連續(xù)工作1 h. 如果該系統(tǒng)能運(yùn)行三年, 其生產(chǎn)電能的成本與常規(guī)能源電力公司的發(fā)電成本相當(dāng).