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在能源轉型與可持續(xù)發(fā)展的全球議題下，溫差發(fā)電技術正悄然掀起一場靜默的能源革命?；谌惪诵臏夭畎l(fā)電器件，能夠直接將工業(yè)廢熱、地熱甚至人體溫差轉化為清潔電能，溫差發(fā)電究竟是什么原理？接下來為您解鎖未來高效能源轉換新的路徑。
溫差發(fā)電（TEG）原理
早在1821年，德國科學家塞貝克（Seebeck）報導了一個有趣的實驗現象：當把一個由兩種不同導體構成的閉合回路置于指南針附近時，若對該回路的其中一個接頭加熱，指南針就會發(fā)生偏轉。后來，這種現象被稱為塞貝克效應，也稱為熱電第一效應。指南針的偏轉是由于溫差使回路產生電流引起的，這也是溫差發(fā)電的基礎。
溫差發(fā)電器件
對于單種材料，當冷熱端溫差較小的時候，其兩端的電勢差與溫差成正比，這個比例系數便是塞貝克系數（常用符號S代替，較早前的文章中也會用α），常用單位為μV/K。
然而，絕大多數金屬材料的塞貝克系數很小，小于10μV/K。因此，相應的發(fā)電效率不可能超過0.6%，有些甚至只有0.1%左右?？梢?，利用金屬材料進行溫差發(fā)電是不經濟的。隨著固體物理學的發(fā)展，尤其是半導體物理的發(fā)展，發(fā)現半導體材料的塞貝克系數可高于100μV/K。因此，現在都是用半導體材料制作溫差發(fā)電的器件，如下圖1所示。
圖1 半導體材料制備的溫差發(fā)電器件原理圖
產生塞貝克效應的主要原因是熱端的載流子往冷端擴散的結果。例如P型半導體，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散；在開路情況下，就在P型半導體的兩端形成空間電荷（熱端有負電荷，冷端有正電荷）。N型半導體正好相反，熱端有正電荷，冷端有負電荷。同時在N，P半導體內部出現電場。當擴散作用與電場的漂移作用相互抵消時，即達到穩(wěn)定狀態(tài)。在N，P半導體的兩端就出現了由于溫度梯度所引起的電動勢——溫差電動勢。
溫差電動勢用V0表示，V0可用如下的公式進行計算。
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N和P的材料固定后，SNP就是常數。由公式可知，Th-Tc越大，即溫差值越大，產生的溫差電動勢就越大，發(fā)電量就越大。
溫差發(fā)電器件的應用
溫差發(fā)電器件，是一種靜態(tài)的全固體器件，沒有運動部件，體積小、壽命長，工作時無噪聲，而且無須維護。
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, 一枚硬幣大小的放射性同位素熱源能夠提供長達二十年以上的連續(xù)不斷的電能, 這是其它任何一種能源技術所不能比擬的。NASA最新Perseverance火星車搭載的MMRTG（多任務放射性同位素熱電發(fā)電機）：采用238Pu熱源與碲化鉍基熱電器件，持續(xù)輸出功率110W，設計壽命14年， 為科學儀器、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用
放射性同位素發(fā)電機除了在航天領域發(fā)揮重要作用外, 海jun是其第二大用戶. 早在20世紀80年代初, 美國就完成了500~1000Wjun用溫差發(fā)電機的研制, 并于80年代末正式列入部隊裝備. 其最大的優(yōu)點是無聲音、無振動、隱蔽, 在潛艇、遠程信號傳輸等方面具有重要應用. 將溫差發(fā)電機放在深海中為無線電信號轉發(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，驅動低功耗小型電子設備。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“能源收獲科學與技術項目”. 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備提供持續(xù)輔助供電，比如：采用Bi2Te3納米線陣列結構，利用人體溫差（ΔT=5K）下可輸出功率密度達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20~30 kW. 科學家們一直在努力將溫差電技術應用于環(huán)保型汽車, 利用汽車尾氣的廢熱以及發(fā)動機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。寶馬集團開發(fā)的汽車尾氣熱電回收裝置，集成了320組Bi2Te3/PbTe復合模塊，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
在前沿技術發(fā)展方向，材料體系創(chuàng)新上也有應用。例如：拓撲絕緣體熱電超晶格（MIT, 2023），是麻省理工學院團隊設計出的Bi?Te?/Sb?Te?超晶格結構，通過界面聲子散射將熱導率降低至0.8 W/mK，塞貝克系數提升至320 μV/K（比傳統(tǒng)材料提高40%，在ΔT=100K時，輸出功率密度達5.2 W/cm2）。已用于國際空間站實驗艙余熱回收系統(tǒng)，實現17%廢熱轉換效率。
在醫(yī)療創(chuàng)新上，東京大學利用量子點納米線陣列（,2022），即Bi?Te?量子點嵌入硅納米線（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，足夠驅動醫(yī)療傳感器。又例如：MIT 把Bi?Te?/PbTe異質結薄膜（厚度200μm）植入心臟起搏器（動物實驗階段），利用體核-皮下ΔT=2.5K持續(xù)輸出60μW。在豬體實驗中實現連續(xù)9個月穩(wěn)定供電，輸出電壓波動＜±3%。在醫(yī)療商業(yè)應用上，輝瑞疫苗冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)，集成TEG模塊的溫感標簽（工作范圍-70℃~+50℃）。利用貨艙內外ΔT發(fā)電并驅動LoRa通信模塊，電池壽命延長至傳統(tǒng)方案的6倍，在2023年非洲脊灰疫苗運輸中實現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15.7%，已應用于迪拜智慧城市路燈系統(tǒng)。
在新型基礎設施上，如：中俄東線天然氣管道陰極保護（2025實施）。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，配合超級電容實現全年無間斷供電，較傳統(tǒng)太陽能方案維護成本降低73%。又例如：馬里亞納海溝觀測網（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。單站輸出功率1.2kW，滿足高清視頻傳輸需求，連續(xù)運行18個月無性能衰減。
在智慧農業(yè)上，荷蘭瓦赫寧根大學植物工廠（2024），采用垂直農場鋼架結構嵌入柔性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，降低設施農業(yè)能耗成本41%。
技術演進顯示，現代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、特種供電等領域展現出優(yōu)勢。隨著納米技術和柔性電子技術的進步，溫差發(fā)電技術正向著高效率、微型化、智能化的方向快速發(fā)展，這將是未來高效能源轉換新路徑！基于熱電能量轉換原理，聯合光科推出了數款溫差發(fā)電器件和熱電制冷器件，歡迎大家咨詢！
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