微功率半导体温差发电电能采集与利用(2)

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参考文献 29

1 引言

自18和19世纪的工业以来，人类对于能源的需求一直在不断上升[1]。伴随着全球工业化的飞速发展，天然气、煤、石油等不可再生能源日益消耗和衰竭，全球性的能源危机和环境恶化正威胁着人类长期稳定的可持续性发展。全球各国政府对绿色环保技术的研究与利用给予了前所未有的关注和支持。

在节约能源消费的过程中，各行各业存在着大量的余热、废热、废气，这些未被回收利用的余热、废热、废气一般直接排向环境，提高大气环境温度，严重地甚至造成热污染。如果把太阳能和余热、废热、废气这类低品位能源有效利用起来，那么对于解决能源危机和环境问题必定将起到举足轻重的作用[2]。论文网

由于半导体的温差电动势较大，因此大都用它来制作温差发电器，所以温差发电技术通常即指半导体温差发电技术。温差发电技术是利用热电材料将热能直接转换为电能的新型发电技术。近年来，随着对能源和环境等问题的日益重视，温差发电作为一种“绿色”可靠的发电方式，已成为低品位能源高效利用领域的研究热点，具有广泛的应用前景[3]。

2003年l月,美国能源部宣布资助太平洋西北国家实验室、密歇根技术大学、佐治亚理工大学、匹兹堡PPG工艺有限公司等单位，重点支持他们在半导体温差发电、高性能热电转换材料和应用技术方面的开发研究，其应用对象主要为工业生产中的尾气热和其他构件中的废热和余热利用[4]。半导体温差发电技术恰好是这样一种能够合理利用低品位能源进行发电的有效方式——它利用半导体热电转换材料直接将热能转化为电能，是一种全固态能量转换方式，具有操作方便，设备简单，不依赖放射性同位素和燃料等，仅靠温度差便可发电而获取能量；且无需机械驱动，具有无零件损耗和劣化、无磨损、无噪音、无污染、重量轻、使用寿命长等特点[5]。

半导体温差发电技术研究始于20世纪40年代，于20世纪60年代达到高峰，并成功地实现为航天器长时间供电。美国能源部的空间与防御动力系统办公室称温差发电是“被证明为性能可靠、维修少、可在极端恶劣环境下长时间工作的动力技术”[6,7]。该技术已在军用电池、远距离通讯与导航、远程空间探测器、微电子等一些特殊应用领域发挥了无可替代的作用[8]，并已成为国际新能源的研究前沿，被公认为继太阳能发电和风力发电之后的第三种清洁能源发电方式[4]。

1.1大规模温差发电系统

1.1.1太阳能温差发电系统

综观全国，我国是一个太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区的太阳能平均能流密度在1000 以上，西藏最高达1750 ，优质太阳能集热管的光热转换效率h在0.77以上[9]。

太阳能温差发电技术是利用塞贝克效应将收集到的太阳热能直接转化为电能[10]。塞贝克效应是由德国科学家塞贝克发现的，利用热电材料两端的温差使材料的载流子发生运动，即把两种半导体的接合端置于高温，处于低温环境的另一端就可得到电动势，将N 型半导体和P 型半导体在热端连接在一起，则在冷端可得到一个电压，进而实现不同能量形式之间的转换[11]。

太阳能温差发电系统由热源循环系统、半导体温差发电模块、冷源循环散热系统、太阳能集热系统、电源控制电路、负载等几个结构模块组成。太阳辐射能投射到槽式太阳能集热器上，然后被太阳能集热器中的吸热介质吸收。受热的介质通过输热回路把热量传递到储热设备中，然后再由储热设备的热交换器中的热工质通过输热回路把热量传送到温差发电模块的热端。温差发电模块的冷端通过散热回路使冷端维持一定的温度。温差发电模块的两端有了一定的温差，从而把热能转换为电能,发出的电能通过电源控制电路的一系列变换，转成交流电压，接到负载上。