熱電材料及其在溫差發電方面的應用

圖1  熱電材料工作原理圖

熱電材料是一種通過固體中的載流子運動實現熱能和電能之間直接轉換的功能材料。熱電材料器件的基本單元由一對p-型和n-型熱電材料串聯構成。當p-n對的兩端溫度不同時，如圖1(a)所示，將在回路中產生電流，從而實現“溫差發電”。而當直流電通過p-n對時，如圖1(b)所示，將在一端吸熱，在另一端放熱，從而實現“半導體制冷”。熱電材料主要應用于：①溫差發電，②半導體制冷，③各類傳感器。
熱電材料的能量轉換過程屬于固體材料內部載流子運動導致的“固體能量轉換”，因此具有無機械運動、無噪聲、無磨損、可靠性高、免維護、不需要化學介質、無污染等突出優點。
熱電材料在溫差發電方面的應用主要包括：工業余熱發電、特殊場合長壽命電源、便攜式小型電源、植入式微型電源等。
1、工業余熱發電
人類消耗的能量中，絕大部分未利用的能量是以余熱廢熱形式排放的。根據美國能源部的統計（圖2），美國每年消耗各種能源約97 Quads（相當于35億噸標準煤），其中除了少量石油用作化工原料以外，絕大部分用于發電、工業和運輸業。在這些實用的能量中，實際利用的不到40%，而有超過60%的能量被浪費掉�？紤]到工業余熱廢熱的巨大容量（這在可預見將來并不會顯著改變），采用熱電材料制造的溫差發電裝置，利用廢熱發電將具有廣闊的前景。

圖2  美國能量分配圖（單位：1015 Btu）

從經濟成本看，溫差發電器件成本與硅基太陽能電池相當。但熱電材料溫差發電具有“實時、原位、穩定”供電的特征，在系統維護、電力儲存、傳輸調制等方面與太陽能發電相比，具有顯著優點。工業余熱發電的主要應用領域包括：
(1) 汽車發動機余熱發電。美國通用汽車、日本豐田汽車已開始這方面的研發，德國寶馬汽車已在530系列汽車上進行原型試驗（圖3）。據估算，一輛中高檔轎車正常運行時，可利用排氣管廢熱發電1千瓦（遠期目標可達5千瓦或更高）。