温差发电专利技术分析及发展预测

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心 肖竹欣

1 概述

温差发电是一种全固态、无需化学反应的能量转换方式，是继太阳能、风能之后又一种新能源利用方式，备受世界各国关注[1-3]。其工作原理简述为：将两种不同类型的热电材料一端相连形成一个PN结，置于热源附近，另一端形成冷端，由于热激发作用，P（N）型材料热端空穴（电子）浓度高于冷端，因此在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就开始向冷端扩散，从而形成电动势，单独的一个PN结可形成的电动势很小，而如果将很多这样的PN结串联起来就可以得到足够成为一个温差发电器。

2 专利申请现状分析

本文通过比较准确的关键词，在相关数据库对全球范围内专利申请进行了检索，并对全球专利申请数据和中国专利申请数据进行了统计分析，共涉及2492件专利申请，数据统计公开日截止到2017年4月。

2.1 全球专利申请量的年分布

专利年度申请量趋势能够在一定程度上反映技术受关注的程度及技术发展的趋势，从年分布来看，专利申请量基本上总体呈现逐年递增的趋势，1998年以前年均申请量均小于10件，从2008年开始，随着热电材料性能提高、冷端散热方式增多以及应用领域更加全面，温差发电技术的能源需求也越来越高，因此专利申请量也快速增长，并且从2009年开始年均申请量均超过100件。

2.2 全球主要申请人的区域

主要申请国家（地区）分布能够反映该国（地区）对技术的关注和研究程度。申请量最多的国家为中国，专利申请量为1232件，其次是日本、德国、韩国、美国，从中可以看出，虽然国内在温差发电方面的研究起步相对较晚，但各企业、科研单位及个人对半导体温差发电技术的研究和应用前景比较看好，专利申请量增多。

从主要申请人及其申请量来看，日本丰田汽车公司专利申请排名第一，其次是日本的东芝、松下电器公司，国内申请中浙江大学专利申请量较多，对比主要申请国家（地区）分布得出，日本申请主要集中在公司申请，表明半导体温差发电技术对经济发展带来的推动作用。

2.3 国内相关专利申请分布

我国专利制度起步较晚，2000年前关于半导体温差发电技术的国内专利申请几乎没有，国内专利年度申请量总体呈现逐年递增的趋势，2008年以前国内专利申请量较少，2014－2016年处于飞速增长的阶段，表面半导体温差发电技术在此期间取得较大的进展，尤其伴随着全球汽车产量不断提高、工业生产的消耗和排放，使得对无环境污染的新型能源使用方式的研究加大，专利申请增多。

国内申请以高校为主，且有相当数量的个人申请，浙江大学专利申请量排名第一，天津大学、武汉理工大学、华南理工大学、安徽工业大学、江苏大学等专利申请量也较多，表明国内各高效重视对于半导体温差发电技术的科研研发，但目前还未形成规模化的产业链，专利应用于公司产品较少；此外，韩国的现代汽车公司等汽车行业的公司在半导体温差技术领域也有相当数量的专利申请。

3 专利技术发展现状分析

半导体温差发电技术在低品位能源利用上的优势，使其得到广泛关注，应用领域也越来越广，但是温差发电器存在发电效率低、温差热电组件使用寿命短、可靠性不高等问题，对于发电效率而言，目前温差发电效率一般为5%-7%，远低于火力发电的40%，最主要的原因是热电材料性能不不理想，另一方面是发电器的匹配问题；对于可靠性问题，温差发电器要达到较高的发电效率通常要求发电组件冷热端之间形成较大温差，这将造成冷端连接片收缩或热端连接片膨胀，从而产生机械应力，且环境因素如湿气和高温也会加速器件的损坏。针对这些技术问题，研究学者目前主要集中在热电材料性能提升、冷端和热端温差维持、应用领域三个分支，以下分别对这几个方面的专利技术进行分析。

3.1 热电材料性能提升

热电材料作为热电器件的核心部分，性能的好坏直接决定器件效能的优劣。优值ZT是衡量热电材料性能最重要的参数，ZT值越高，材料的热电性能越好，能量转换效率热高，而为了提高该优值，热电材料应该以满足：1）增大塞贝克（或热电势）系数；2）减小电阻率；3）减小热导率的方式形成。为此，研究学者积极寻找和开发具有较高优值ZT的新型热电材料，研究方向主要有：钴基氧化物热电材料、超晶格薄膜热电材料、准晶体材料、纳米热电材料以及多化合物复合型热电材料。公开号为US2005076944A1的专利申请中公开了一种含银热电化合物，其设计了一种通式为Ag1-xMmM’Q2+md的热电材料，这种材料能够通过掺杂有选择的杂质，以制备具有所期望热电性能（如提高的塞贝克系数和优值ZT）的P-型和N-型半导体；JP2011049538中公开了一种铝-镁-硅复合的热电转换材料，其具有较高电导率，从而能够获得优异的热电转换特性；CN101921928A中公开了一种具有填充方钴矿晶体结构的热电材料，其具有较低晶格热导率，从而能过获得较高的优值。

3.2 冷端和热端温差维持

温差发电器的输出功率和发电效率与热端、冷端的温度差、温差发电回路电流、负载电阻等密切相关，为了保持较高的温差，往往需要维持热端高温，同时在发电器低温端增加散热装置，以使热量及时散失，因此温差发电器的冷端散热方式也是影响发电器性能的重要因素，目前主要的散热方式有风冷、液冷和相变散热。公开号为CN105932962A的发明专利申请中公开了一种太阳能发电和温差发电有效结合的发电系统，温差发电装置的冷端采用水箱冷却散热，水箱的水来源于地下水，且温差发电装置能够根据冷端和热端之间的温度差选择不同深度的地下水作为冷源使用，以此获得更大的发电功率；JP2005137159A中公开了一种风冷式热电发电装置，其采用铜或者铝制作的散热翅片进行散热，在热端和冷端均设置有热传导材料，同时在散热翅片顶部安装有风扇用于强制风冷，可有效地提高散热器的对流换热系数，减小散热面积，而且结构简单，易于实现和维护。

3.3 应用领域

由于受到热电转换效率低和温差发电器件制作成本高的制约，温差发电技术长期以来主要应用于航天和军事等尖端领域，而在民用方面较少。近年来，随着高优值、高性能热电材料的开发成功，温差发电技术在工业和民用产业领域的应用成为可能，同时，日渐突出的能源与环境问题促使研究学者加大了利用温差发电回收利用低品位热源方面的研究力度，这些研究领域主要有汽车尾气利用、工业余热废热发电、自然热应用、MEMS系统或器件以及可穿戴设备等其它应用领域。KR1327732B1的专利中公开了一种车辆的热电发电机，其安装于车辆的排气系统中，使用汽车废气的热量来产生电力，其中，热电模块被设计为环形状，当高温废气经过排气管时，排气管通过与废气的热交换过程而被加热，并将热量传导到排气管外围设置的环形状热电模块的热端，同时，热电模块的冷端设置有冷却剂管，从而在冷、热端之间形成温差而发电；CN204068767A公开了一种穿戴式温差发电装置，其在衣物的夹层中设置安装带，各安装带相互平行缝制于衣物的夹层中，安装带上固定有防水封装带，每个防水封装带中均密封安装有温差发电组，各温差发电组依次串联后通过导线连接充电单元。该发电装置以日常穿着为载体，利用人体散发的热能这一新型、绿色、环保能源发电，因此可随时随地发电，且清洗时无需拆卸温差发电组，使用方便、体积小、重量轻，发电效果好。

4 未来趋势预测

目前，基于半导体温差发电的关键技术已经日趋完善，关于热电材料性能提升、冷端和热端温差维持、应用领域这三个分支的核心技术已经成熟。尽管温差发电的效率仍然还普遍较低，但随着新型高性能热电材料以及性能可靠的温差发电器的研究与开发，温差发电技术将会更大地发挥其在低品位能源利用方面的优势。未来主要发展方向多为进一步提高发电效率、提高装置的可靠性以及降低成本等。因此，未来发展趋势预测将有以下三点：

（1）新型热电材料。温差发电效率较低的问题还是需要首先从热电材料的性能提升上来突破。而掺杂、低维化、超晶格结构、准晶体结构以及纳米技术等均能有效提高热电优值，因而将会继续成为研究方向。

（2）可靠性研究。温差发电技术在各领域的应用都日益广泛，如何更加有效、可靠地满足长期供能需求，降低环境因素影响，以及寻求更加稳定的热源和冷源，将是温差发电技术中需要解决的问题。

（3）复合型能量采集技术。随着机械振动摩擦发电、压电发电，电磁感应发电等领域的发展，复合型能量采集研究也将受到更多关注，但是目前复合型能量采集多以简单叠加为主，如何在同一环境下实现多种发电模式之间的相互配合，提高能量利用效率，未来还需要进一步研究。

[1]赵建云,朱冬生．温差发电技术的研究进展及现状[J]．电源技术,2010,34(3)∶310-313．

[2]半导体温差发电技术应用及研究综述[J]．电源技术,2016,140(8)∶1737-1740．

[3]MASAHIDE M,MICHIO M,MASARU O．Thermoelectric generator utilizing automobile engine exhaust gas[J]．Thermal Science and Engineering,2001,9(2)∶17-18．