| 找到参考依据了。 半导体热电堆发电循环的热力学研究 完成单位：河南省科学院能源研究所 自20世纪70年代以来,在以原油价格暴涨为标志的“能源危机”之后,世界上又相继出现以臭氧层破坏和温室气体效应为首的“地球危机”和“全球变暖危机”。为此,各国科学家都在致力于寻求高效、无污染的新的能量转化利用方式, 以达到合理有效利用工农业余热及废热、汽车废气、 废气、地热、太阳 能以及海洋温差等能量的目的。 在此背景之下,半导体热电堆发电技术 (Semiconductor Thermoelectric Module Generator)的研究应运而生。半导体热电堆发电技术是基于半导体塞贝克 (Seebeck)效应并能够直接将热能转化为也能的新型发电技术,和太阳能光伏发电技术并称为21世纪的两大最具潜力的新烈发电技术,对于缓解其至解决当前日益增长的能源压力和环境危机具有重大意义。 西方发达国家较早地开展了半导体热电堆发电技术研究。前苏联的Ioffe 等人早在1956年就开始研究利用农村普遍使用的燃油灯的热量转化成电能,以驱动无线电收音机。而在北欧地理位置相对偏远的地区,人们研制出一种能够放置在木柴炉上的小型热电发电机。它利用木柴炉燃烧释放的热量产生电能,以替代汽油发电机,为当地居民提供夜间照明用电。 在深层宇宙探测中,TEG技术被用于替代太阳能电池为探测器提供电能。美国军方和航空航天局(NASA)较早地将半导体热电堆发电技术剧于阿波罗、先锋者、开拓者、旅行者等空间任务中。比较典型的加利略号探测器就装载了2台 285W的硝化铅(PbTe)热电发电机(RTG),位于美国新墨西哥州的阿拉莫斯国家实验室(LANL)和NUS公司应用物理实验室(APL)测试了整个装置的安全性,并提供了技术支持。热电发电机冷热端的工作温差为700K,效率约为7%。 加拿大的Global热电公司从1977年开始,将空间 RTG 技术转为商业化的TEG技术。目前,Global已经成为世界上最大的热电发电机供应商,并且通过了 IS09002质量认证体系,曾经两度获得加拿大“国家出口奖”。它为世界各地45个国家的偏远地区提供了高质量、高可靠性、低价格的基于TEG技术的电力解决方案。泰国的海上石油平台采用了Global生产的200WTEG为其无人看守的监测控制及数据采集仪(SCADA)提供连续的电能供电。巴西在Amazon热带雨林地区分散安装了大量的120WTEG,用于输油管道中,为金属管线提供阴极保护,以防止氧化腐蚀。 日本国家功能材料研究中心(SMRC)以 Masanobu Marlo博士为首的科研人员正在研究利用汽车尾气为热源的TEG技术。这种TEG的热端是由具有较强净化能力的特殊功能材料制造而成,一方面能够实现热电转化,为汽车提供部分电力供应；另一方面,能够通过热端材料吸附分解尾气中NOx等有害气体,同时释放出 N2和02等气体,达到减低污染气体排放的目的。 英国威尔士大学和日本大阪大学于1991年联合研究大规模利用钢铁厂和垃圾焚烧厂的废弃余热产生兆瓦级输出电功率的项目。该课题以373K的钢铁厂循环水为热源,冷源采用温度约为300K的冷却水,整个循环的温差约为7OK,效率在 8~～10%左右。 德国Dresden科技大学以Wemirl Qu为首的研究工作者发明了一种利用铜箔作为介质的微型热电发电机,能够循环使用将周围环境的热量转化为出能。国外研究者还发明了一种靠人体温度驱动的新款手表。整个装置体积非常小巧,不需要安装化学电池,深受消费者青睐。 国内开展半导体热电堆发电技术研究相对比较晚,主要集中在功能材料学科领域,其中比较典型的是中国科学院半导体所、浙江大学、北京科技大学等单位。 就半导体热电堆发电技术在热科学领域的研究而言,我国学者在上世纪 60～70年代曾经提出过一些理论成果,并开展了为数不多的应用。但由于当时的材料性能十分有限以及其它诸多原因,该技术从80年代开始出现了近10多年的空白。直到进入90年代中后期以后,该技术才又逐渐被重新认识,并继续进行探索研究。 但就整体水平而言,我国与国外存在着近10～20年的差距,尤其是应用方面, 目前我国比较缺乏相关配套技术以及市场的支持。因此,在国内进一步深入开展半导体热电堆发电技术的研究,具有十分重要的意义。 半导体热电发电机（简称为 TEG）,实质上是许多p和n型半导体材料按照一定的排列组合方式构成的半导体堆(Thermopile)。因此,半导体热电发电也经常被称为半导体热电堆发电。 TEG 的工作原理如下:发电机工作于冷热源之间,其热端从热源吸热,然后由冷端向冷源放热,同时将热能转化为也能,以温差电动势或电流的形式输出。TEG 产生的温差电动势主要由汤姆逊(Thomson)电动势和帕尔贴电动势组成。其中,汤姆逊电动势是由半导体材料中导电机构(自由电子或空穴)的热运动产生的。当半导体材料的两端存在温差时,半导体的导电机构受到热激发后运动状态会发生改变。对于n型半导体,自由电子从高温向低温迁移,因此在低温端积累电子带负电,而高温端缺乏电子带正电。同时,高低温端会在导体中建立起一个静电场,一方面阻止自由电子从高温向低温运动,一方面使反向的自由电子加速到低温端。当达到静电平衡时,半导体两端就会形成一定的电动势。对于p型半导体,导电机构主要是空穴,与自由电子的电荷数目相等,但符号相反。因此,产生的电动势也与n型半导体相反。 帕尔贴电动势是由于两种不同半导体的结点两端的自由电子以及空穴的密度不同引起的。自由电子或空穴从一种半导体向另一种半导体迁移,最终在结点的两端形成正负电荷积累,并建立起静电场,阻止自由电子或空穴的移动。当达到平衡状态时，结点两端就会形成一个电动势。 TEG循环的效率一般为 5～10%。在影响TEG循环效率因素中,半导体材料的热电特性起着至关重要的作用。现在常见的半导体热电材料有Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3、PbTe以及SiGe等。TEG循环与传统热力发电相比具有以下的优点:无噪音、无污染、无旋转机械运行寿命很长维修少,可靠性高；能够满足中小发电量的要求,可以灵活地调整负荷；适用于工农业余热及废热、汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等中低混度范围的热量利用,发电潜力巨大；对热源温度要求较低,即使在100℃以下,也能输出电能；能够适用于特殊场合(如荒漠、深层空间等)的发电需要。 在河南省自然科学基金项目(N0.0311050600)的资助下,河南省科学院能源研究所从不可逆过程热力学的角度出发,对半导体热电堆发电技术进行了较深入的研究,取得了阶段性的成果,并积累了一些经验。 在理论研究中,我们从半导体能量微分方程出发,推导出了稳态条件下的半导体热电发电性能(循环效率、最大功率等)的基本表述方程,并进一步分析推导了循环效率与材料优值系数ZT之间的函数关系及其影响。建立了低温条件下半导体热电堆的一维非稳态模型,并采用 Binder-Schmidt方法,对低温热电堆内部温度分布进行了数值模拟。通过模拟分析,首次得到了低温半导体热电堆内部温度场在发电循环建立后能够达到平衡状态的时间域(6～10秒),以及冷端温度对系统稳定性的影响,为进一步系统控制与仿真奠定了基础。 在上述基础上,又通过引入不可逆过和热力学(Irreversible Thermodynamics)的理论与 Ahlborn &Curzon 效率的概念,对循环的最大输出功率工况进行了科学地界定,能够较为真实地反映发电循环的物理本质,以及传热学改进方向,即消除内外过程的不可逆性。从不可逆过程热力学角度,分析了循环系统机理,并建立了内外均不可逆半导体热电堆发电循环的数学模型,定义了描述系统实际工作性能的不可逆项：K/UA,使其循环性能的数学表述更加接近真实的物理过程。首次引入并命名了外赋汤姆生效应 (Extrinsic Thomson Effect), 进行了初步的计算机有限元模拟。我们还初步建立了可以开展发电系统性能实验装置,并进行了前期的分布式独立电源的工况实验,取得了一些有价值的实验数据。 本课题于2004年12月通过了河南省科技厅组织的专家会议鉴定,并给予了一定的积极评价。其中,在数值模拟(逼近平导体热也堆发电循环内部的温度场, 从而更加深刻地表达热电堆内部热电转换的基本规律)以及不可逆过程热力学分析(掌握循环系统机理,并建立了内外均不可逆半导体热电堆发电循环的数学模型,使其循环性能的数学表述更加接近真实的物理过程)方面,国内尚有无相同研究文献报道, 具有一定地创新性。 随着科技的发展,能源和环境问题成为人们越来越关心的话题。热能和电能是我们社会生活中最重要的能源形态之一,电能是各种形态能源中传输和使用最多、最为方便的一种。因此,许多能源形态,如太阳能、地热、风能、潮汐能、化学能等都在其转变为电能之后才能更好、更为方便地被人们广为利用。而热电材料正是一种可在其固体状态下, 也就是说几乎不需要活动部件就可将热能与电能相互转换一静态能量转换的材料。 从学科发展上看,本课题中所涉及的热电发电仅仅是整个热电研究领域的一个边缘学科分支。从应用前景上看,可以在远程空间探测器、远距离气象站、远距离导航系统、潜艇舰船、海底发电站、利用 废热发电领域、炼钢以及化学工业等方面得到广泛的应用。在我国的“西气东输”工程中,可以利用半导体热电堆发电技术进行一定程度上的管道防腐保护。此外,我国已经正式启动了“嫦娥” 载人航天计划,旨在深入探索开发月球。这无疑为半导体热电堆发电技术的研究与应用提供了一个崭新的契机 ! |
| 这种装置的效率虽然不是很高，但是相当实用。 现在的技术已经比水电这个有所超越了，比如一些铁氧化物结构的技术可以产生更好的热电转换效率。 像我这个一样大的装置功率可以提升到10瓦左右，耐高温可以达到800度以上。 利用这套装置你还可以完成你想做的很多工作，也可以在户外体会到更多的乐趣，一个柴火炉就可以提供笔记本所消耗的电能； 如果功率能进一步加大，你还可以做到用这套装置兼作户外冰箱的核心元件，只需要一个泡沫保温盒当作箱体，你可以在沙漠里享受冰咖啡； 利用冷凝水效应你还可以将它改造成空气制水机，你再也不用携带过多的水进行沙漠穿越了； 到了冬天你会发现，天气越冷，你会收到越大的热转换效率，因为温差决定了这种可能。 而这一切，你所增加的携带负担或许只有额外的几百克。。。 |
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