[科普中国]-热电转换系统

简介

热电转化技术又称温差发电技术，是一种重要的绿色发电方式。基于温差发电技术的热****电转化系统具有结构简单、无噪音、使用寿命长等优点。我国低品位热能储量大、范围广，余热利用的研究主要集中在余热制冷技术、低品位热源热泵技术以及温差发电技术，其中温差发电技术因其特有的优点而越来越受到各国的重视。随着新材料的研制和可靠工艺技术的进步，以及热电转化系统输出功率和转化效率的提高，热电转化技术必将得到广泛应用。1

技术原理热电转化技术基于塞贝克（Seebeck）效应，将两种不同的热电材料（P型和N型）的一端通过优良导体Cu连接起来，另一端则分别与Cu导体连接，构成一个PN结，得到一个简单的热电转化组件，也称为PN热电单元，如图所示。在热电单元开路端接入负载电阻，此时若在热电单元一端热流（QH）流入，形成高温端（即热端），从另一端（QC）散失掉，形成低温端（即冷端），于是在热电单元热端和冷端之间建立起温度梯度场。热电单元内部位于高温端的空穴和电子在温度场的驱动下，开始向低温端扩散，从而在PN电偶臂两端形成电势差，电路中便会有电流产生。1

研究进展热电转化技术热电转化技术利用功能材料的热电特性，可将热能与电能进行直接转化，是一种绿色、环保的节能技术。随着Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应的相继发现，热电转化系统由于具有结构紧凑、无运动部件、使用寿命长、无液体泄漏等优点而备受关注与研究。19世纪30年代，学者们对热电材料的研究主要集中于金属导体，但因多数金属的优值系数（ZT）极低，基于金属导体研制的发电系统工作效率仅约为1%。直到20世纪30年代，具有较高ZT的半导体热电材料相继被发现，热电转化技术的研究再度被重视。到二十世纪五六十年代，由于空间技术发展对电源的需求，极大地推动了热电转化技术的研究，一批应用于地面、航天航空等领域的热电转化系统相继被研制出来，如：通用塞拉利昂皮卡配备330W汽车余热热电转化系统为电力管理系统中的12V和42V电池充电，也可以用于轻型卡车和乘用车；俄罗斯采用90Sr作为燃料研制额定输出功率为230W的“Beta-M”放射性热电转化系统。
然而，经过数十年的探索，热电转化系统的能量转换效率与理论预测相差甚远,基本停留在10%左右。究其原因，主要是通过材料电子、量子结构体现出来的热物性参数（导热系数、导电系数、塞贝克系数等）之间存在相互关联与耦合。针对该现状，若要提高热电材料的优值系数，应通过平衡或降低参数之间的耦合，改善材料中电子本征结构，从而改变材料固有的电子性能；或是对纳米单元和界面进行化学调控，从而减少热电材料的维度，如超晶格结构的热电材料以及纳米复合材料。

XIAO等采用相变技术来削弱电场与磁场之间的协同与耦合，并在不改变塞贝克系数、电导率的前提下降低导热系数以提高系统输出性能。一些学者也就系统上的接触热阻、结构尺寸对组件的热电性能的影响开展了一系列的研究。其中，ALI等对有利于提高热电组件热利用效率的无量纲几何参数进行推导验证；王长宏等提出一种新型的半导体温差发电模型，考虑了热电单元之间封闭腔体内空气传热的影响，同时对不同几何结构参数的温差发电模型的温度场、电压场进行数值计算与分析。然而，由于热电转化系统最大转换效率与最大输出功率的工况并不匹配，会造成一定的能源浪费。因此，根据热电发电系统的实际工况进行设计并匹配合适的冷源和热源，确保设备输出功率最大化显得尤其重要。ISMAIL等就微型化热–电联产系统在多孔金属燃烧设备中的应用开展了研究。FISAC等则采用光伏技术开发光伏–光热–热电复合发电系统，通过分级利用光谱，将光能在光伏系统的能量转换效率从原来的18%提高至25%。CHEN等建立了太阳能–热电发电系统的物理模型并进行数值模拟，该模型考虑了间隙热阻与热扩散对组件输出特性的影响，通过增加基板面积和减少热电单元的截面积以提高系统能效。JANG等通过优化热电组件间的间距和基板厚度来提高废热发电系统的总体性能。ZHOU等基于经典热电模型，针对瞬态与稳态不同热源设计热电组件传热模型，对其综合性能进行数值模拟，并通过实验加以验证。对于热电组件的转换效率低这一问题，由于热电材料的性能在短期内难以有重大突破，且现阶段的热电材料还不具备大规模应用的条件，因此，合理设计光伏–热电复合发电系统（PV-TEG），有利于提高系统热能的多级利用效率；优化热电转化模块的外场匹配，有助于改善热电系统的稳定性以及扩大其应用范围。新型热电材料和热电组件的成功研制，有力促进了热电转化技术的发展。热电转化技术由早期满足航空航天、野外作业等特殊领域的需要延伸到太阳能、地热能、工业余/废热等低品位热源应用领域,极大地拓展了热电转化技术的应用空间。由此可见，通过固态热电组件有效地将各种热能转化成电能是长久以来的目标。1

PV-TEG发电系统目前，随着人们对传统能源的依赖和需求的转移，丰富的太阳能、生物质能等清洁可再生能源的利用成为国家能源战略需求。不同的系统将太阳能转化成为不同的能量，如热利用系统吸收太阳光的热谱，光伏系统则吸收太阳光的可见光谱，分别将太阳能转化为热能和电能。光伏发电系统由于无噪音、移动性强、维护和运营成本，且可以实现近距离发电，有利于有效利用和整合电力系统，是智能电网的重要组成部分；但光伏电池板存在因吸收的太阳辐射热量未及时转化成电能而引起背板温度上升以至影响转换效率或热失效的问题。因热电发电技术在余热回收方面有很大的应用潜力，ZHANG等建立了PV-TEG复合发电系统，并结合最大功率点跟踪系统对系统的能量转换效率进行研究，发现该复合发电系统的能量输出效率比PV发电系统的发电效率高5%~10%。BJARK等就如何通过热电转化系统来提高光伏发电系统的性能展开了研究，探究光伏发电系统与热电转化系统在结构上的组合以及复合发电系统输出功率扰动性的控制，结果表明PV-TEG复合发电系统比单一系统在功率密度上有很大的提高。MAKKI等通过热管将光伏电池板背面的热量转移到热电组件热端并直接转化为电能，在实现太阳能电池板热管理的同时，提高了复合系统的发电能效。HASHIM等则对PV-TEG复合系统就提高输出功率与系统成本增加方面展开讨论，探索如何平衡在获取最大功率的同时耗费最低的热电组件成本。1

余/废热电转化目前，中低温热源主要应用在基于朗肯循环的热力发电系统或在吸附制冷系统中作为脱附热源。基于塞贝克效应的热电转化技术开拓余热回收利用的手段和途径，因其特有的无噪音、寿命长、结构简单等优点，受到吸引了研究者的广泛关注。生物质炉热电转化系统、汽车余热热电转化系统、烟囱废热热电转化系统相继被研制出来。爱尔兰都柏林的O'SHAUGHNESSY学者及其研究团队在生物质炉热电转化器方面做了大量的研究工作，并于2015年开发出一种适用的生物质火炉热电转化系统：其冷端采用热沉进行自然对流散热，热端通过热管置于炉膛之中，单个组件稳定输出功率可达4.5W，对于给定的热沉和热源，可以通过增加组件的数量获得较大的输出电压或电流。使用者可以通过火炉热电转化模块进行移动设备充电、LED照明，以及为小型通讯设备供电。ISMAIL等应用多孔介质燃烧器研制的微型热电联产系统，总输出电压可以达到9.3V，充电时下降到7V。根据2015年6月中国产业信息网发布的《2015-2020年中国汽车整车制造市场评估及投资前景预测报告》显示，中国汽车的保有量已超过1.63亿辆，成为仅次于美国的汽车大国。而通常情况下汽车内燃机中热能转化为机械能的效率在20%~30%之间，这意味着燃油中近70%的能量被直接或间接排放到环境中，其中尾气约带走40%。因此，结合半导体热电转化技术提高余/废热的利用具有重要意义。基于此，国内外的学者进行了比较全面的研究。其中，白洁玮针对发动机尾气的特点以及现有热电转化系统存在输出功率小、结构不紧凑的问题，利用有限元分析软件研发一套供车载用电设备使用的热电转化系统，并进行可靠性分析，同时提高燃油经济性；JANG等通过实验与仿真相结合的方法，建立尾气余热回收系统3D发电模型，并对其传热特性进行探究，优化热电组件之间的间距以提高系统的输出效率。1

实际应用热电转化技术在同位素、太阳能、余热/废热领域的成功应用，促进了其在其他如人体热能、地热能、海洋热能等领域的研究。近年来，随着互联网以及微电子技术的发展，微机电系统（MEMS）大量应用于生物医学、信息通信、可穿戴消费电子、医疗设备等领域，体积小、可靠性高的微型电源因而获得极大的发展。微型的热电组件具有功率密度大、响应快且集成度高，以及输出电压恒定等优点，使其在作为MEMS系统或器件的电源方面具有独特的优势，一些微型热电器件相继被开发出来。这些微型发电器件的输出功率多为微瓦或毫瓦级，可为手表、传感器、医疗器械等微型器件提供稳定的电能。微型热电组件的研制，促进了热电转化技术的发展以及应用范围的扩大。1

问题及解决热电发电技术在中低温余/废热利用上的优势使其备受关注，相关应用领域也逐步扩大。但是热电组件及系统存在发电效率低、可靠性不高等问题。

热电转换效率因热电转换效率主要依靠优值系数Z，而热电材料的Z主要跟热电材料的热物性参数（塞贝克系数、电导率、热导率）有着密切联系，无量纲的优值系数ZT则通常被用来作为热电材料性能的评价指标。随着技术的进展，提高热电材料的优值系数已成为近期亟待解决的问题之一。20世纪后半叶，室温工况下热电材料的优值系数从0.75提高到1。近年来也在相关领域取得重要进展，如基于高质量的二维量子超晶格纳米级电子结构的P-Bi2Te3/Sb2Te3材
料在室温下ZT=2.4，基于量子纳米结构的PbSeTe材料在室温下ZT=2.0。根据热电材料的特性可知，要想得到高优值系数的材料，必须提高材料的Seebeck系数和电导率，降低材料的热导率。现阶段主要有以下方式：
（1）研制新型电负性差异较小的化合物热电材料。材料的电负性差异越小，其迁移率与有效质量之积一般也越大，热电优值也越高。
（2）开发高对称性复杂晶体结构材料，提高声子的散射能力和简并度。通过不同材料间形成固溶体或掺杂的办法使材料的晶体结构更复杂，可以在获得最佳载流子浓度的同时增加点缺陷来对声子散射，进一步降低热导率。随着技术的发展，晶格掺杂、降低材料维数（量子纳米结构）以及高性能热电材料（方钴矿）的研发中存在的问题将逐步被解决，热电材料的性能以及热电转化系统的能量转换效率将得到提高，以满足不同应用环境的需要。1

可靠性问题以常见的热电组件结构为例，通常采用提高热电组件两端的有效温度梯度来提高热电组件的转换效率。由于热胀冷缩效应的影响造成热端、冷端的连接片以及基板的膨胀和收缩，特别是在非稳态热源工作的情况下，焊接接口容易产生裂缝，增加接口的电阻和热阻以及基板的机械性断裂，最终可能导致热电组件的损坏，从而降低热电系统的使用寿命。因热胀冷缩而产生的应力是不可完全避免的，但可以通过改进焊料、焊接工艺以及基板的材料加以改善。主要的途径有：

（1）焊料在满足基本的力学及化学性能的前提下，确保其液相线低于热电材料固相线40℃~50℃，同时具有良好的润湿作用，成分稳定，并且与连接片和热电材料结合性好。

（2）良好的焊接工艺是提高可靠性的有力保障。充分清除表面油污和氧化物，精准定位并控制好焊接温度、
升温速度以及保温时间等工艺参数。

（3）改变基板材料。现阶段，金属化的陶瓷基板由于导热性适中、强度高以及价格低廉等因素而被广泛应用；但陶瓷基板硬度大，在使用过程中容易折断，从而造成组件内部结构的破坏。因此，如果采用具有一定柔性、机械强度高，同时具备高热导率的材料作为基板，如铝基覆铜板、超导基板等，将能有效缓解热应力，从而提高热电组件的可靠性。1

前景展望热电转化系统因具有系统结构简单紧凑、无运动部件且稳定性高等优点，在低品位能源回收方面有广阔的应用前景。但目前仍存在热电转化效率和可靠性不高等问题，而热电转化系统效率的提高有赖于热电材料优值系数的提高、热电单元结构的设计和优化及系统热阻的降低。利用超晶格、纳米线结构降低材料的热导率，可提高材料的电性能；通过采用新焊接工艺和焊料，以及高性能基板，可提高系统可靠性，进而提高热电转化系统的性能。新型热电材料已取得进展，热电基板导热性能也有了新突破，为加快热电转化系统性能的提高提供了技术支持。1