热电效应转换的原理与应用

所谓的热电效应，是当受热物体中的电子（空穴）随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。而这个效应的大小则是用称为热电能（thermopower）Q的参数来测量，其定义为Q=E/d T（E为因电荷堆积产生的电场，d T则是温度梯度）。从原理上说，在热电材料的两端维持一个温差，就能产生电功率输出。最早把这种发电模式实用化的国家是苏联，他们在边远地区利用煤油灯或木材燃烧作为热源为家用无线电接收机供电［27］。

热能发电功率范围从几瓦到数百瓦。热能发电作为一种有效的余热发电技术手段受到越来越多的关注。一般来说，余热资源丰富的有冶金、化工、发电、石化等行业。最普遍的形式是管道热水或废气，尤其是携带热量的液体。与直接燃烧燃油产生高温不同，通常废热载体的温度很少超过120℃，因此加在热电材料两端的温差只有数十度到100℃左右。在这个工作温度范围，目前热电转换效率最高的材料是碲化锡类。因此，可以采用现有的标准化的热电制冷模块作为发电的热偶单元。

低品位工业余热温差发电系统结构如图2-13所示，该系统由储热系统、导热油循环系统、温差发电机组、循环冷却水系统和电能输出控制等系统组成。储热系统由储热罐组成，储热罐体中的储热介质可与不同形式的热源进行热交换，将低品位工业余热储存起来，其传热介质为320号导热油。导热油的传热效率高、散热快、热稳定性优异、沸点高、可在较低压力下获得较高温度，从而作为200～400℃的工业传热介质被广泛应用。其工作流程：工业余热通过换热器使导热油的温度上升，经过循环泵使导热油循环流动，从而使温差发电片的高温侧温度升高，在低温侧则通过循环水进行降温。

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图2-13　余热温差发电系统

当冷热端温差为260℃时，热油式温差发电器的最大输出功率可达160.05W直流电。按95%的DC/AC转换效率计算，单个热油式温差发电在260℃温差时可输出152.05W交流电。

日本大阪大学与英国威尔士大学合作研究大规模利用工业低温余热以产生兆瓦级电功率的项目。该项目研究以钢铁厂冷却水为热源，温度约为100℃，冷端亦用循环冷却水，在冷热两端产生60～80℃温差。该研究表明输出功率与水量、输出电流均有关系，在匹配条件下可实现最大的输出功率。该样机采用碲化物材料作为转换元件。从经济性评估看，其关键同样取决于热电转换元件的价格与使用寿命。