溫差電技術的應用

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%. 之后一些特殊領域?qū)﹄娫吹男枨蟠蟠蟠碳ち藴夭铍娂夹g的發(fā)展. 從20世紀60年代開始陸續(xù)有一批溫差發(fā)電機成功用于航天飛機、軍事和遠洋探索. 近幾年隨著科學技術的不斷進步, 溫差發(fā)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(xiàn)出良好的應用前景. 隨著能源與環(huán)境危機的日益逼近, 科學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(fā)揮作用. 使用熱源穩(wěn)定、結(jié)構緊湊、性能可靠、壽命長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, 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(xù)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(fā)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(zhuǎn)換模塊提供. 其發(fā)電系統(tǒng)包括1200個溫差發(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(tǒng)已安全運行了21年, 預計可繼續(xù)工作15至20年.
相比于太陽能電池, 放射性同位素溫差發(fā)電系統(tǒng)不僅具有壽命長和性能可靠的優(yōu)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(jié)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(fā)電系統(tǒng)時, 發(fā)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(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)電機除了在航天領域發(fā)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(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)點是無聲音、無振動、隱蔽, 在潛艇、遠程信號傳輸?shù)确矫婢哂兄匾獞? 將溫差發(fā)電機放在深海中為無線電信號轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)供電. 該系統(tǒng)是美國導彈定位系統(tǒng)網(wǎng)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(fā)了基于量子點原理制造的高性能微型溫差發(fā)電模塊[14], 用于船載多種無線傳感器的電源供給. 這些傳感器肩負著監(jiān)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(fā)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(tǒng)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(fā)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(xiàn)對12小時的作戰(zhàn)任務最少產(chǎn)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(wěn)定、無需維護的特點使其在發(fā)電和輸送電困難的偏遠地區(qū)發(fā)揮著重要的作用[15], 已用于極地、沙漠、森林等無人地區(qū)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(fā)電機生產(chǎn)商——美國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(fā)電機以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、無振動、無噪音使溫差發(fā)電機非常適合用作小功率電源 (小于5W). 在各種無人監(jiān)視的傳感器、微小短程通訊裝置以及醫(yī)學和生理學研究用微小型發(fā)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(fā)揮其獨特的作用[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(tǒng)研究[18]. 經(jīng)過三年的項目開發(fā), 目前一些產(chǎn)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(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, 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(chǎn)業(yè)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(zhuǎn)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(tǒng)的氫氣傳感器存在體積大、質(zhì)量重、結(jié)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(tǒng)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(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(tǒng)、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(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、家用與工廠設備的監(jiān)測等, 具有體積小(mm3)、重量輕(mg)、無過濾窗、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(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
長久以來, 因為受到生產(chǎn)成本和轉(zhuǎn)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(shù)量的日益減少和化石能源燃燒所引起的環(huán)境惡化問題的逼近, 人們意識到利用低品位和廢熱進行發(fā)電對解決環(huán)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(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(zhuǎn)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(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(xiàn)存發(fā)電方式進行商業(yè)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(fā)電技術, 將透平發(fā)電機和溫差發(fā)電機結(jié)合起來, 實現(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(zhuǎn)換材料和應用技術方面的開發(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)電的市場化、專業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化還剛剛起步, 為了動員更多的社會力量參與垃圾發(fā)電事業(yè), 國務院最近制定了一系列資源綜合利用的優(yōu)惠政策, 希望能藉此推動該技術的發(fā)展.
(3) 汽車廢熱
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(yè)也推動了社會經(jīng)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(huán)境的污染也給世界環(huán)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(huán)保型汽車, 利用汽車尾氣的廢熱以及發(fā)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(fā)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(jié)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(fā)了利用汽車尾氣發(fā)電的小型溫差發(fā)電機, 功率為100W, 可節(jié)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(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(tǒng)的自然熱發(fā)電方式都用熱機、發(fā)電機或蒸
汽輪機作原動機, 這樣的系統(tǒng)只有在大容量發(fā)電的場合才能獲得良好的技術經(jīng)濟指標. 現(xiàn)在國際上將目標轉(zhuǎn)向無運動部件、無聲而且不需維護的直接發(fā)電器件(如溫差電轉(zhuǎn)換模塊), 用它們來替代上述能量轉(zhuǎn)換部件, 大大簡化現(xiàn)有自然熱發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換部件結(jié)構, 獲得可觀的經(jīng)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(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、無聲音輻射、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(chǎn)生電, 可使一臺彩色電視機連續(xù)工作1 h. 如果該系統(tǒng)能運行三年, 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.