在能源轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展的全球議題下，溫差發(fā)電技術(shù)正悄然掀起一場(chǎng)靜默的能源革命?；谌惪诵?yīng)的溫差發(fā)電器件，能夠直接將工業(yè)廢熱、地?zé)嵘踔寥梭w溫差轉(zhuǎn)化為清潔電能，溫差發(fā)電究竟是什么原理？接下來(lái)為您解鎖未來(lái)高效能源轉(zhuǎn)換新的路徑。
溫差發(fā)電（TEG）原理
早在1821年，德國(guó)科學(xué)家塞貝克（Seebeck）報(bào)導(dǎo)了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)把一個(gè)由兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路置于指南針附近時(shí)，若對(duì)該回路的其中一個(gè)接頭加熱，指南針就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。后來(lái)，這種現(xiàn)象被稱為塞貝克效應(yīng)，也稱為熱電第一效應(yīng)。指南針的偏轉(zhuǎn)是由于溫差使回路產(chǎn)生電流引起的，這也是溫差發(fā)電的基礎(chǔ)。
溫差發(fā)電器件
對(duì)于單種材料，當(dāng)冷熱端溫差較小的時(shí)候，其兩端的電勢(shì)差與溫差成正比，這個(gè)比例系數(shù)便是塞貝克系數(shù)（常用符號(hào)S代替，較早前的文章中也會(huì)用α），常用單位為μV/K。
然而，絕大多數(shù)金屬材料的塞貝克系數(shù)很小，小于10μV/K。因此，相應(yīng)的發(fā)電效率不可能超過(guò)0.6%，有些甚至只有0.1%左右?？梢姡媒饘俨牧线M(jìn)行溫差發(fā)電是不經(jīng)濟(jì)的。隨著固體物理學(xué)的發(fā)展，尤其是半導(dǎo)體物理的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料的塞貝克系數(shù)可高于100μV/K。因此，現(xiàn)在都是用半導(dǎo)體材料制作溫差發(fā)電的器件，如下圖1所示。
圖1 半導(dǎo)體材料制備的溫差發(fā)電器件原理圖
產(chǎn)生塞貝克效應(yīng)的主要原因是熱端的載流子往冷端擴(kuò)散的結(jié)果。例如P型半導(dǎo)體，由于其熱端空穴的濃度較高，則空穴便從高溫端向低溫端擴(kuò)散；在開路情況下，就在P型半導(dǎo)體的兩端形成空間電荷（熱端有負(fù)電荷，冷端有正電荷）。N型半導(dǎo)體正好相反，熱端有正電荷，冷端有負(fù)電荷。同時(shí)在N，P半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)。當(dāng)擴(kuò)散作用與電場(chǎng)的漂移作用相互抵消時(shí)，即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在N，P半導(dǎo)體的兩端就出現(xiàn)了由于溫度梯度所引起的電動(dòng)勢(shì)——溫差電動(dòng)勢(shì)。
溫差電動(dòng)勢(shì)用V0表示，V0可用如下的公式進(jìn)行計(jì)算。
V0=SNP(Th-Tc)。
其中，V0是輸出電壓，單位是V；
SNP代表兩種材料的塞貝克系數(shù)之差，單位是μV/K；
Th和Tc分別表示熱電偶的熱端和冷端溫度，單位是K。
當(dāng)N和P的材料固定后，SNP就是常數(shù)。由公式可知，Th-Tc越大，即溫差值越大，產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)就越大，發(fā)電量就越大。
溫差發(fā)電器件的應(yīng)用
溫差發(fā)電器件，是一種靜態(tài)的全固體器件，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，體積小、壽命長(zhǎng)，工作時(shí)無(wú)噪聲，而且無(wú)須維護(hù)。
溫差發(fā)電器件可作為深空深海特種電源使用。對(duì)用于遙遠(yuǎn)的太空探測(cè)器來(lái)講，放射性同位素供熱的溫差發(fā)電器是目前的供電系統(tǒng)。利用溫差電技術(shù), 一枚硬幣大小的放射性同位素?zé)嵩茨軌蛱峁╅L(zhǎng)達(dá)二十年以上的連續(xù)不斷的電能, 這是其它任何一種能源技術(shù)所不能比擬的。NASA最新Perseverance火星車搭載的MMRTG（多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)）：采用238Pu熱源與碲化鉍基熱電器件，持續(xù)輸出功率110W，設(shè)計(jì)壽命14年， 為科學(xué)儀器、通信系統(tǒng)提供不間斷電源。
放射性同位素發(fā)電機(jī)除了在航天領(lǐng)域發(fā)揮重要作用外, 海jun是其第二大用戶. 早在20世紀(jì)80年代初, 美國(guó)就完成了500~1000Wjun用溫差發(fā)電機(jī)的研制, 并于80年代末正式列入部隊(duì)裝備. 其最大的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)聲音、無(wú)振動(dòng)、隱蔽, 在潛艇、遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸?shù)确矫婢哂兄匾獞?yīng)用. 將溫差發(fā)電機(jī)放在深海中為無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)供電。
單兵裝備的人體能量回收系統(tǒng)可以采用溫差發(fā)電電源，驅(qū)動(dòng)低功耗小型電子設(shè)備。滿足lu軍對(duì)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(guó)能源部啟動(dòng)了“能源收獲科學(xué)與技術(shù)項(xiàng)目”. 研究利用溫差發(fā)電模塊, 將士兵的體熱收集起來(lái)用于電池充電。另外，可穿戴能源系統(tǒng)采用柔性TEG器件為智能手表等設(shè)備提供持續(xù)輔助供電，比如：采用Bi2Te3納米線陣列結(jié)構(gòu)，利用人體溫差（ΔT=5K）下可輸出功率密度達(dá)30μW/cm²。
圖3 溫差發(fā)電器件用于單兵電源
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(wèn)題的逼近, 人們意識(shí)到利用低品位和廢熱進(jìn)行發(fā)電對(duì)解決環(huán)境和能源問(wèn)題的重要性。例如普通家用轎車以常速行駛時(shí)的能量損失就達(dá)20~30 kW. 科學(xué)家們一直在努力將溫差電技術(shù)應(yīng)用于環(huán)保型汽車, 利用汽車尾氣的廢熱以及發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)能耗, 同時(shí)還可以減少尾氣中污染物的排放量, 一舉三得。寶馬集團(tuán)開發(fā)的汽車尾氣熱電回收裝置，集成了320組Bi2Te3/PbTe復(fù)合模塊，在800℃排氣溫度下可回收2.5kW電能，降低燃油消耗8-12%，減排CO?量15g/km。
圖4 溫差發(fā)電器件用于汽車余熱回收
在前沿技術(shù)發(fā)展方向，材料體系創(chuàng)新上也有應(yīng)用。例如：拓?fù)浣^緣體熱電超晶格（MIT, 2023），是麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出的Bi?Te?/Sb?Te?超晶格結(jié)構(gòu)，通過(guò)界面聲子散射將熱導(dǎo)率降低至0.8 W/mK，塞貝克系數(shù)提升至320 μV/K（比傳統(tǒng)材料提高40%，在ΔT=100K時(shí)，輸出功率密度達(dá)5.2 W/cm²）。已用于國(guó)際空間站實(shí)驗(yàn)艙余熱回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)17%廢熱轉(zhuǎn)換效率。
在醫(yī)療創(chuàng)新上，東京大學(xué)利用量子點(diǎn)納米線陣列（,2022），即Bi?Te?量子點(diǎn)嵌入硅納米線（直徑50nm，長(zhǎng)度20μm），可以在室溫下功率因子提升至45 μW/cmK²，在人體溫差（ΔT=3K）下輸出30μW/cm²，足夠驅(qū)動(dòng)醫(yī)療傳感器。又例如：MIT 把Bi?Te?/PbTe異質(zhì)結(jié)薄膜（厚度200μm）植入心臟起搏器（動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段），利用體核-皮下ΔT=2.5K持續(xù)輸出60μW。在豬體實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)連續(xù)9個(gè)月穩(wěn)定供電，輸出電壓波動(dòng)＜±3%。在醫(yī)療商業(yè)應(yīng)用上，輝瑞疫苗冷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，集成TEG模塊的溫感標(biāo)簽（工作范圍-70℃~+50℃）。利用貨艙內(nèi)外ΔT發(fā)電并驅(qū)動(dòng)LoRa通信模塊，電池壽命延長(zhǎng)至傳統(tǒng)方案的6倍，在2023年非洲脊灰疫苗運(yùn)輸中實(shí)現(xiàn)100%溫度合規(guī)率。
在系統(tǒng)集成創(chuàng)新上，典型的如：光伏-熱電混合系統(tǒng)（加州理工學(xué)院, 2024）。他們把鈣鈦礦太陽(yáng)能電池+Bi?Te?基TEG模塊堆疊，日光照射時(shí)光伏效率21.3% ，夜間利用輻射冷卻產(chǎn)生ΔT=15K，輸出功率密度0.8 W/m²。綜合效率：24小時(shí)能量捕獲效率達(dá)15.7%，已應(yīng)用于迪拜智慧城市路燈系統(tǒng)。
在新型基礎(chǔ)設(shè)施上，如：中俄東線天然氣管道陰極保護(hù)（2025實(shí)施）。方案是每20km部署碲化鉛基TEG模塊陣列，利用地表-埋深處ΔT=35K持續(xù)輸出48W，配合超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)全年無(wú)間斷供電，較傳統(tǒng)太陽(yáng)能方案維護(hù)成本降低73%。又例如：馬里亞納海溝觀測(cè)網(wǎng)（日本JAMSTEG, 2026）是利用深海熱泉（350℃）與海水（2℃）的ΔT ，采用模塊化Skutterudites熱電單元串聯(lián)。單站輸出功率1.2kW，滿足高清視頻傳輸需求，連續(xù)運(yùn)行18個(gè)月無(wú)性能衰減。
在智慧農(nóng)業(yè)上，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)植物工廠（2024），采用垂直農(nóng)場(chǎng)鋼架結(jié)構(gòu)嵌入柔性TEG薄膜（ΔT=土壤28℃-空氣18℃）。每平方米日發(fā)電量0.35kWh，為環(huán)境傳感器、自動(dòng)噴淋系統(tǒng)供電，降低設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗成本41%。
技術(shù)演進(jìn)顯示，現(xiàn)代TEG器件通過(guò)材料創(chuàng)新和系統(tǒng)優(yōu)化，已突破傳統(tǒng)效率限制。在可再生能源、工業(yè)節(jié)能、特種供電等領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。隨著納米技術(shù)和柔性電子技術(shù)的進(jìn)步，溫差發(fā)電技術(shù)正向著高效率、微型化、智能化的方向快速發(fā)展，這將是未來(lái)高效能源轉(zhuǎn)換新路徑！基于熱電能量轉(zhuǎn)換原理，聯(lián)合光科推出了數(shù)款溫差發(fā)電器件和熱電制冷器件，歡迎大家咨詢！
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▲ 常規(guī)熱電制冷器件 / TEC-017-06×06×2.0-2.1
應(yīng)用領(lǐng)域：
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