太阳能温差发电技术的研究进展

朱冬生，吴红霞，漆小玲， 周泽广

（1.华东理工大学机械与动力工程学院，上海200237；2.华南理工大学化学与化工学院强化传热与过程节能教育部重点实验室，广东广州510640）

随着能源与环境问题的日益突出,矿物能源来源枯竭和污染环境的挑战，太阳能的热利用越来越受到人们的重视。太阳能作为一种绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点。温差发电技术是利用塞贝克效应(Seebeck效应)直接将热能转化为电能的发电技术，具有无运动部件、体积小、质量轻、可靠性高等特点，是绿色环保的发电方式。将温差发电技术和太阳能集热技术结合起来能够直接将太阳热能转化为电能，大大简化了发电系统的结构，具有广阔的应用前景。

本文介绍了太阳能温差发电技术的原理，回顾了国内外的研究进展，介绍了自行设计的太阳能连续温差发电系统，结合国内外的研究，提出了应对系统发电效率低的研究策略，并指出太阳能温差发电的应用前景广阔。

1 太阳能温差发电系统原理

太阳能温差发电是利用塞贝克效应将收集到的太阳热能直接转化为电能。塞贝克效应是利用热电材料两端的温差使材料的载流子发生运动，进而实现能量形式的转换[1]，如图1。将P型和N型两种不同类型的热电材料（P型是富空穴材料，N型是富电子材料）一端相连形成PN结，使其一端置于高温状态，另一端处于低温态，由于热激发作用，P（N）型材料高温端空穴（电子）浓度高于低温端，在浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而形成电动势，这样热电材料就通过高低温端间的温差将高温端输入的太阳热能直接转化成电能。

太阳能温差发电技术属于光-热-电发电方式，但又不同于由太阳能集热器将所吸收的热能通过传热介质产生高温蒸气后再驱动汽轮机发电的传统热电发电方式。其系统技术原理是利用太阳能聚光型集热器对温差热电转换器的一面进行加热形成热端，而热电转换器的另一面通过散热器冷却系统形成冷端，这样两端就形成了一定的温差，由于半导体材料的赛贝克效应实现热能向电能的转换，从而可直接给负载电器供电或把电能用蓄电池储存起来。

2 太阳能温差发电国外研究进展

温差发电开辟了利用太阳能的一个新途径。1922年，Coblentz为了测量其他星球的红外辐射，利用第一台太阳能温差发电装置进行了测试，因为当时系统所用热电材料的ZT优值低（＜0.4），太阳能集热率和热端温度低，所以系统的效率很低(＜1%)[2]。1954年，M．Telkes研发出由25对温差电偶组成的太阳能温差发电机，聚光型的温差为247℃，效率达3.35%。前苏联在1960年已经研制成功100瓦的实验性太阳能温差发电机。最近二十几年，随着温差发电技术的进步以及新能源渐热全球，太阳能温差电发电技术得到了长足的发展。

1996年Chen计算了基于平板集热器的太阳能热电发电中的一些基本问题，如转化效率，最大输出功率，负载的影响等；H.Naito等使用抛物面镜开发了一种太阳能热电转换器。1998年，Omer等人研究了太阳能热电发电中的器件优化问题。指出器件的尺寸优化对于提高效率非常重要[3]。2001年，Stevens W J[4]在考虑了热端板、冷端板热阻的情况下研究了线性、锯齿形和正弦温差分布情况下热电器件效率的变化。2003年Scherrer H等[5]建立的基于方钴矿的热电器件模型，着重考虑了集热器和散热器面积与P/N结面积比对热电器件效率的影响。

2004年泰国学者[6]设计了一种利用太阳能温差发电的屋顶，用铜板集热器来吸收太阳辐射能，温差发电器的热端温度升高，这样与冷端形成温度梯度，进行温差发电。该太阳能温差电屋顶可以产生1.2 W/m2的电力，可存储供夜晚使用。2006年，日本学者Hasebe等利用夏日路面高温做热源，热交换管为集热器，采用19组温差电组件，如图2所示。在热管管内液体流速为0.7 L/min时，输出功率3.6 W。Vorobiev Y等[7]研究了串联的太阳能光电—热电复合发电系统在不同的日照条件下的效率变化。

2009年Amen Agbossou等人[8]通过数学计算设计了太阳能连续温差发电系统。将相变储能和温差发电相结合，利用相变材料白天储存太阳能的热量，夜晚对发电组件提供热量进行连续发电。模拟实验结果得到热辐射，系统外部温度和热对流的耦合效应对太阳热能的获得有显著影响。在最优化热阻和环境条件为风速2.5m/s,太阳辐射1200 W/m2,环境温度20～30℃下，单个组件发电功率可达到0.8 mW。

2010年R．AMATYA和R．J．RAM[2]通过热力学分析预测了太阳能温差发电器的热电转换效率，得出在太阳能集热器聚光比为66时，商业Bi2Te3模型的系统效率是3%，输出功率是1.8 W；使用新型温差发电材料N型ErAs∶(InGaAs)1－x-(InAlAs)x和P型材料(AgSbTe)x(PbSnTe)1－x的温差发电器在太阳能集热器聚光比为120时，转换效率可以达到5.6%。

3 太阳能温差发电国内研究进展

国内在温差发电方面的研究起步相对较晚，主要集中在理论和热电材料的制备等方面的研究，因此国内对太阳能温差发电整体系统的研究相对来说也是比较少。

宋启鹏等[9]将太阳能热水器与半导体温差发电模块有机结合得到太阳能驱动半导体温差发电设备，并提出太阳能温差发电并网的思路。热水和冷水的温差能达到60℃以上，可以达到温差发电条件，输出功率达到10 W。陈允成等[10]提出了一种小型半导体温差发电模块，并应用于太阳能温差发电系统。该系统设有横式放置的小焦距抛物柱组合式反射阵面聚光，采用高效的太阳能聚热装置将太阳能转化为热能，然后将热能供给半导体温差发电模块热端，冷端采用液氨循环散热，产生温差，实现半导体温差发电，其输出功率约为2 W。倪华良等[11]分析了建设太阳能温差发电站中的成本与收益问题，得出可以通过调节温差电材料用量、导线总长、冷却能耗等设计参数，使总成本最小。他们还计算了输入功率对效率的影响，当平均效率为50%时，太阳能温差发电站每平方公里每年发电量可达8.3×107kWh。林比宏等[12]应用非平衡态热力学理论，分析了有限速率传热和太阳能集热器的热损失对太阳能驱动半导体温差发电器性能的影响，确定发电器在最大效率时的优化条件，对系统的主要参数作了详细的讨论。

近年来，武汉理工大学张清杰教授同日本科学家新野正之合作，提出了将基于高效热电材料的太阳能热电转换技术与基于光伏电池材料的太阳能光电转换技术进行集成复合的太阳能热电―光电复合发电技术的新的科学构想，研制出了国际上第一台太阳能热电―光电复合发电的实验系统并试验成功，开辟了太阳能全光谱（200～3000 nm）直接高效发电技术的新途径。其太阳能热电-光电复合发电系统，如图3所示，包括聚焦子系统、分光子系统、热电子系统和广电子系统。它利用波长分离器将聚焦后的太阳光在某一波长处分开，将波长比较长的光用于温差发电，波长比较短的光用于光电发电，使整个太阳光谱的光都能充分利用，从而提高太阳能的发电效率。

电子科技大学曾葆青等[13]通过对聚光集热器、温差发电器(集热板、热电模块、水冷却系统)等部分的研究，组装了一套集热式太阳能温差发电装置，如图4所示。在不同太阳辐射功率、不同热电模块数量情况下，实验测得温差发电器的输出功率，在太阳辐射功率880 W／m2时，可输出功率约10 W。

武汉理工大学TIANQI YANG等[14]对太阳能温差发电整体系统进行了模拟和优化，建立了基于高性能热电材料的发电器的三维有限元分析模型，并对其在不同操作环境下进行了性能分析，得出热损耗和接触热阻对转换效率有重要影响的结论，并说明如果忽略热损耗和接触热阻，装置的效率可达到9.95%。PENG LI等[15]对聚光太阳能温差发电器的设计进行研究，建立了实验模型和系统的数学模型，实验装置的单元结构如图5，通过模拟和实验指出了聚光比和热电材料冷端散热方式的选择对发电效率有着重要影响，得出基于热电材料Bi2Te3、方钴矿和AgSbPbTe合金的发电装置的最高效率分别为9.8%、13.5%、14.1%。

4 太阳能温差发电系统的设计思路

目前在多种温差发电的应用研究中，太阳能温差发电处于研发阶段。太阳能温差发电热电转化效率普遍较低，太阳能集热、温差发电模块的性能和两者之间的匹配问题限制了其发展和应用。目前，太阳能温差发电系统主要存在如下问题：

(1)太阳能集热器采用的集热方式效率不高，影响热端温度的提高，不能保证稳定高效的温差，从而影响了系统的发电性能；

(2)温差发电器件的内阻较大，影响了输出功率的提高[16]；

(3)温差发电系统的负载电阻与温差发电器件内阻尚未达到最佳匹配[17]。

为了解决以上问题，本实验组自行设计并搭建了不需要复杂的太阳能跟踪装置的复合抛物面聚光集热器（简称CPC集热器，下同）太阳能温差发电系统。系统的设计包括太阳能集热器、温差发电器和冷热源流体循环三部分。温差发电的性能除了与发电芯片采用热电材料的优值有密切关系外，还与芯片两端的温度及其温差有重要的关系。一般的，温差发电器的输出功率与两端温差的平方成正比，发电效率与温差呈正比。因此，太阳能集热温度和温差发电器中良好的取热、散热设计对系统获得高效的发电性能至关重要。

4.1 集热器的选择

由于非聚光集热器很难达到较高的温度，而抛物面聚光器又需要复杂的跟踪系统，价格昂贵。CPC复合抛物聚光器是一种非成像低聚焦度的聚光器，它根据边缘光线原理设计，可将给定接收角范围内的入射光线按理想聚光比收集到接收器上。由于它有较大的接收角，故在运行时不需要连续跟踪太阳，只须根据接收角的大小和收集阳光的小时数，每年定期调整倾角若干次就可有效地工作，因此CPC集热器有着广泛的应用前景。由于所用温差发电芯片是常规的“三明治”式结构，因此本设计采用平板型CPC集热器，它由2片槽状抛物线型的抛物反射面和底部的平板接收面组合而成。避免二次换热，底部的平板直接由具有高导热系数的供集热工质循环的口琴板的上表面涂覆选择性吸收涂层代替。集热器四周使用保温材料保温，上面和两侧分别使用透明玻璃板防止热量散失。

4.2 温差发电模块的匹配

温差发电模块的输出功率和发电效率与高温端温度，低温温度，接触热阻等因素密切相关。研究表明液冷换热系数比自然风冷散热大100～1000倍[18]，为了提高传热速率，系统使用具有高导热系数的口琴板作为冷热流体的循环管路，吸收了太阳能热量的导热油作为热流体，常温自来水作为冷流体。将68块商用温差发电芯片进行串联组成温差发电模块，利用绝热橡胶垫使芯片周围保温和固定芯片，发电模块的冷热端分别通过高导热硅胶贴覆在高导热口琴板表面，然后使用螺丝钉将两块口琴板紧紧固定在一起。

4.3 太阳能温差发电系统流程

温差发电系统是由复合抛物面(简称CPC)太阳能集热器、储能装置、半导体温差发电模块和散热冷源耦合而构成的，它满足了发电模块发电所需的温差条件。图6为本实验组提出的温差源实现方式。图中导热油的热量由太阳能集热器得到，温度达到90℃以上，常温自来水温度一般为20～25℃，所以温差模块冷热两端的温差能达到60℃，可以达到温差条件，导热油和水在导热系数较高的口琴板中循环，因热交换需要时间较长，油和水循环速度不需要很快，所以图中微型循环水泵消耗的功耗很低。因为导热油循环是密封系统，所以被加热的导热油储存在储能箱里面，晚上释放热量作为温差发电模块的热源，这样系统就可以进行昼夜连续发电。

5 结论

太阳能半导体温差发电具有无噪声、无污染、稳定性好、可靠性高、运行寿命长等优点,是新能源开发和未来空间动力的理想技术。目前，在太阳能温差发电方面虽然取得一些进展，但是仍然存在一些有待于解决的问题，结合国内外太阳能温差发电技术的研究进展可以从以下三方面展开工作：（1）寻找集热效率高且成本低的太阳能集热方式。设计与温差发电模块相匹配的聚光集热器，在聚光集热器上设置盖板，减少热损耗是提高性能的重要途径。（2）开发高性能热电材料，提高温差发电模块的性能。掺杂、准晶体结构、低维化、超晶格结构以及纳米技术均能有效地提高材料热电性能，因而成为热电材料的发展方向。（3）寻找温差发电模块和系统其它部件之间的匹配规律。可结合ANSYS有限元仿真对温差发电器进行模拟，确定最优的物理参数和几何参数，实现器件的结构优化设计，对高低温端实施合适的热管理，也是提高发电效率的重要途径。

我国太阳能十分丰富，如果借助热电器件来有效地利用太阳能，把它转化为电能，将产生良性循环，不仅可以缓解日益严重的环境问题，而且必定具有很大的经济价值和社会效益。因此，研究太阳能集热、温差发电模块的性能以及两者之间的匹配问题，提高太阳能温差发电效率有着非常现实的意义。

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