溫差發(fā)電器件技術(shù)革新—探索未來高效能源轉(zhuǎn)換新路徑

溫差發(fā)電器件，是一種靜態(tài)的全固體器件，沒有運(yùn)動部件，體積小、壽命長，工作時無噪聲，而且無須維護(hù)。

溫差發(fā)電器件可作為深空深海特種電源使用。對用于遙遠(yuǎn)的太空探測器來講，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)計壽命14年， 為科學(xué)儀器、通信系統(tǒng)提供不間斷電源。

圖2 溫差發(fā)電器件在航天中的應(yīng)用

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裝備. 其最大的優(yōu)點(diǎn)是無聲音、無振動、隱蔽, 在潛艇、遠(yuǎn)程信號傳輸?shù)确矫婢哂兄匾獞?yīng)用. 將溫差發(fā)電機(jī)放在深海中為無線電信號轉(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)動低功耗小型電子設(shè)備。滿足lu軍對電源系統(tǒng)的特殊要求——輕便、靈活、充電方便等, 從1999年開始, 美國能源部啟動了“能源收獲科學(xué)與技術(shù)項目”. 研究利用溫差發(fā)電模塊, 將士兵的體熱收集起來用于電池充電。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)境惡化問題的逼近, 人們意識到利用低品位和廢熱進(jìn)行發(fā)電對解決環(huán)境和能源問題的重要性。例如普通家用轎車以常速行駛時的能量損失就達(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)動機(jī)能耗, 同時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)隊設(shè)計出的Bi?Te?/Sb?Te?超晶格結(jié)構(gòu)，通過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，輸出功率密度達(dá)5.2 W/cm2）。已用于國際空間站實(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個月穩(wěn)定供電，輸出電壓波動＜±3%。在醫(yī)療商業(yè)應(yīng)用上，輝瑞疫苗冷鏈監(jiān)測系統(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LoRa通信模塊，電池壽命延長至傳統(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）。他們把鈣鈦礦太陽能電池+Bi?Te?基TEG模塊堆疊，日光照射時光伏效率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，配合超級電容實(shí)現(xiàn)全年無間斷供電，較傳統(tǒng)太陽能方案維護(hù)成本降低73%。又例如：馬里亞納海溝觀測網(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個月無性能衰減。

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。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！